DE102010019402A1 - Screw vacuum pump - Google Patents
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Abstract
Eine Schraubenvakuumpumpe weist in einem Schöpfraum (10) angeordnete Schraubenrotoren (12, 14) auf. Die Schraubenrotoren (12, 14) sind jeweils über zwei Lageelemente (20) in dem Pumpengehäuse gelagert und weisen ein Verhältnis von Rotorlänge (l) zum Abstand der Rotorachsen (d) auf, das größer als 3,0 ist. Ferner weisen die Schraubenrotoren (12, 14) eine variable Steigung, mindestens 7 Windungen und ein eingebautes Verdichtungsverhältnis von mindestens 4,5 auf. Die Steigung ist nach der Hälfte der Windungen kleiner als die zweifache Steigung am druckseitigen Rotorauslass (24).A screw vacuum pump has screw rotors (12, 14) arranged in a suction chamber (10). The screw rotors (12, 14) are each mounted in the pump housing via two position elements (20) and have a ratio of rotor length (l) to the distance between the rotor axes (d) that is greater than 3.0. Furthermore, the screw rotors (12, 14) have a variable pitch, at least 7 turns and a built-in compression ratio of at least 4.5. Half the turns, the pitch is smaller than twice the pitch at the pressure-side rotor outlet (24).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schrauben-Vakuumpumpe.The invention relates to a screw vacuum pump.
Schrauben-Vakuumpumpen weisen in einem durch ein Pumpengehäuse ausgebildeten Schöpfraum zwei Schraubenrotoren auf. Die Schraubrotoren sind üblicherweise zweiseitig gelagert und können unterschiedlich ausgebildete Steigungsprofile aufweisen. Die Rotoren können ein symmetrisches oder asymmetrisches Zahnprofil aufweisen wie beispielsweise in
Um hohe eingebaute Verdichtungsverhältnisse zu ermöglichen ist in
Ferner sind einseitig, bzw. fliegend gelagerte Rotoren bekannt. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass nur ein Lager vorgesehen sein muss. Dies ist druckseitig, bzw. auf der Seite des Getriebes angeordnet. Das zweite Lager, das im Bereich der niedrigen Drücke saugseitig angeordnet ist, kann hierbei entfallen. Fliegend gelagerte Schraubenrotoren müssen jedoch kurz bauende Rotoren aufweisen, da ansonsten die Gefahr des Berührens der Rotoren im Betrieb besteht. Die relativ geringe Baulänge der Rotoren hat zur Folge, dass die Anzahl der Windungen gering ist. Ferner weisen fliegend gelagerte Rotoren einen verhältnismäßig großen Durchmesser auf. Das Verhältnis der Rotorlänge zum Abstand der Rotorachsen ist hierbei üblicherweise kleiner als 2,5.Furthermore, one-sided, or overhung rotors are known. This has the significant advantage that only one bearing must be provided. This is arranged on the pressure side, or on the side of the transmission. The second bearing, which is arranged on the suction side in the region of low pressures, can be omitted here. Flying rotors mounted on the fly must, however, have short rotors, otherwise there is a risk of contact between the rotors during operation. The relatively short length of the rotors has the consequence that the number of turns is small. Furthermore, overhung rotors have a relatively large diameter. The ratio of the rotor length to the distance between the rotor axes is usually less than 2.5.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schraubenvakuumpumpe mit einem ”eingebauten Verdichtungsverhältnis” von mindestens 4,5 zu schaffen, wobei eine einfache Wärmeabfuhr realisiert ist.The object of the invention is to provide a screw vacuum pump with a "built-in compression ratio" of at least 4.5, wherein a simple heat dissipation is realized.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by the features of
Die erfindungsgemäße Schraubenvakuumpumpe weist ein einen Schöpfraum ausbildendes Pumpengehäuse auf. In dem Pumpengehäuse sind zwei Schraubenrotoren angeordnet. Da die erfindungsgemäßen Schraubenrotoren lang sind, handelt es sich um jeweils beidseitig gelagerte Schraubenrotoren, sodass je Schraubenrotor zwei Lagerelemente vorgesehen sind. Ferner weisen die Schraubenrotoren einen relativ geringen Durchmesser auf, sodass das Verhältnis der Länge des Schraubenrotors zum Abstand der Rotorachsen größer als 3,0 insbesondere größer als 3,5 und besonders bevorzugt größer als 4,0 ist. Des Weiteren weisen die erfindungsgemäßen Schraubenrotoren eine variable Steigung und mindestens 7, insbesondere mindestens 9 und besonders bevorzugt mindestens 11 Windungen auf. Das erfindungsgemäße Verdichtungsverhältnis beträgt mindestens 4,5 vorzugsweise mindestens 5. Um bei einem erfindungsgemäß großen Verdichtungsverhältnis ein Überhitzen des Rotors zu vermeiden, weist der Rotor druckseitig mehrere Windungen auf, deren Steigung nur geringfügig oder nicht variiert. Erfindungsgemäß ist daher die Steigung nach der Hälfte der Windungen kleiner als die zweifache Steigung am Rotorauslass. Insbesondere ist die Steigung nach der Hälfte der Windungen kleiner als die 2-fache Steigung, besonders bevorzugt kleiner als die 1,5-fache Steigung am Rotorauslass. Aufgrund der erfindungsgemäßen geringen Steigungsänderung auf der Druckseite der Rotoren und der vorzugsweise entsprechend gewählten Spalthöhe erfolgt die Kompression über einen längeren Bereich des Rotors. Dies hat den erfindungsgemäßen wesentlichen Vorteil, dass eine bessere Wärmeabfuhr möglich ist. Dies ist darin begründet, dass die Verdichtungsarbeit und somit die Abwärme im Wesentlichen im Bereich der hohen Drücke auftritt und aufgrund des erfindungsgemäß deutlich verlängerten Bereichs, in dem diese hohen Drücke auftreten, die Gehäusefläche zur Wärmeaufnahme größer ist. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schrauben-Vakuumpumpe sind Schraubenrotoren vorgesehen, die jeweils nur einen Gewindegang aufweisen.The screw vacuum pump according to the invention has a pump housing forming a pump chamber. In the pump housing two screw rotors are arranged. Since the screw rotors according to the invention are long, it is in each case mounted on both sides screw rotors, so that each screw rotor two bearing elements are provided. Furthermore, the screw rotors have a relatively small diameter, so that the ratio of the length of the screw rotor to the spacing of the rotor axes is greater than 3.0, in particular greater than 3.5 and particularly preferably greater than 4.0. Furthermore, the screw rotors according to the invention have a variable pitch and at least 7, in particular at least 9 and particularly preferably at least 11 turns. The compression ratio according to the invention is at least 4.5, preferably at least 5. In order to avoid overheating of the rotor in a large compression ratio according to the invention, the rotor has several windings on the pressure side, whose pitch varies only slightly or not. According to the invention, therefore, the slope after half of the turns less than twice the slope at the rotor outlet. In particular, the pitch after half of the turns is smaller than the 2-fold pitch, more preferably smaller than the 1.5-fold pitch at the rotor outlet. Due to the small pitch change according to the invention on the pressure side of the rotors and the preferably correspondingly selected gap height, the compression takes place over a relatively long region of the rotor. This has the significant advantage according to the invention that better heat dissipation is possible. This is due to the fact that the compression work and thus the waste heat essentially occurs in the region of high pressures and, due to the invention significantly extended range in which these high pressures occur, the housing surface for heat absorption is greater. In a preferred embodiment of the screw vacuum pump according to the invention screw rotors are provided, each having only one thread.
Aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen druckseitig langen Bereichs, in dem die Schraubenrotoren eine geringe Steigungsänderung aufweisen, ist es somit möglich, Verdichtungsverhältnisse von mindestens 4,5 zu realisieren und die hierbei auftretende Wärme abzuführen, sodass ein Überhitzen der Rotoren vermieden ist. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass die Wärmeabfuhr nur im druckseitigen Bereich erfolgen kann, da in Bereichen niedriger Drücken bzw. hohen Vakuums aufgrund der geringen Gasdichte eine ausreichende Wärmeübertragung auf das Gehäuse nicht möglich ist.Due to the inventively provided pressure side long area in which the screw rotors a small change in slope Thus, it is thus possible to realize compression ratios of at least 4.5 and dissipate the heat occurring thereby, so that overheating of the rotors is avoided. It must be taken into account here that the heat removal can only take place in the pressure-side area, since in areas of low pressures or high vacuum due to the low gas density sufficient heat transfer to the housing is not possible.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schraubenrotoren mit einem hohen eingebautem Volumenverhältnis weist ferner den Vorteil auf, dass bei geringen Drücken die Leistungsaufnahme gering ist. Es kann hierdurch eine Leistungsaufnahme bezogen auf das Saugvermögen von unter 12 W/(m3h) für Ausgangsdrücke unter 10 mbar realisiert werden.The inventive design of the screw rotors with a high volume ratio built-in also has the advantage that at low pressures, the power consumption is low. As a result, a power consumption based on the pumping speed of less than 12 W / (m 3 h) for outlet pressures below 10 mbar can be realized.
In besonders bevorzugter Ausführungsform erfolgt die Wärmeabfuhr ausschließlich über das Pumpengehäuse. Neben der Wärmeabfuhr, die über das Medium selbst erfolgt, erfolgt somit die Wärmeabfuhr vorzugsweise ausschließlich über das Pumpengehäuse. Eine Rotor-Innenkühlung, die technisch aufwändig ist, muss somit nicht vorgesehen werden.In a particularly preferred embodiment, the heat dissipation takes place exclusively via the pump housing. In addition to the heat dissipation, which takes place via the medium itself, the heat dissipation therefore preferably takes place exclusively via the pump housing. A rotor internal cooling, which is technically complex, must therefore not be provided.
Ferner weist das erfindungsgemäße Vorsehen mehrerer Windungen mit geringer Steigungsänderung im druckseitigen Bereich der Rotoren den Vorteil auf, dass die Geräuschentwicklung deutlich verringert ist. Dies liegt darin begründet, dass die Kompression über einen längeren Bereich erfolgt und somit der Druckunterschied zwischen der letzten Kammer und dem Bereich des Gasaustritts geringer ist. Hierdurch ist die Rückbelüftung verringert, wobei bei der Rückbelüftung Druckwellen entstehen, die die Geräuschentwicklung hervorrufen. Aufgrund der geringeren Rückbelüftung ist auch die Geräuschentwicklung bei freiem Ausblasen um 3 bis 6 dB(A) verringert. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass ein kleineres Schall-Dämpfungselement vorgesehen werden kann. Aufgrund der Möglichkeit, das Bauvolumen des Dämpfers zu reduzieren, kann somit die Vergrößerung der Baulänge der Vakuumpumpe aufgrund der längeren Schraubenrotoren zumindest teilweise wieder kompensiert werden.Furthermore, the provision according to the invention of a plurality of turns with a small change in pitch in the pressure-side region of the rotors has the advantage that the noise development is markedly reduced. This is due to the fact that the compression takes place over a longer range and thus the pressure difference between the last chamber and the region of the gas outlet is lower. As a result, the re-venting is reduced, with the re-venting pressure waves that cause the noise. Due to the lower recirculation, the noise of free blowing is reduced by 3 to 6 dB (A). This has the significant advantage that a smaller sound-damping element can be provided. Due to the possibility of reducing the overall volume of the damper, the increase in the overall length of the vacuum pump due to the longer screw rotors can thus be at least partially compensated again.
Ferner ist es bevorzugt, dass das Profil der Schraubenrotoren im Wesentlichen symmetrisch ist. Bevorzugt sind hierbei beispielsweise trapezartige Profile, Zykloidenprofile oder Evolventenprofile. Bevorzugt ist es, dass die Spalthöhe, d. h. insbesondere der Abstand zwischen den Schraubenrotoren und der Gehäuseinnenwand so gewählt ist, dass sich die Kompression über einen längeren Bereich an der Auslassseite des Rotors erstreckt. Besonders bevorzugt ist hierbei im kalten Zustand der Turbomolekularpumpe ein Verhältnis Kaltspalthöhe/Achsabstand > 2/1000. Ferner bevorzugt ist es, dass im Betriebszustand, d. h. bei Erreichen der Betriebstemperatur ein Verhältnis von Kaltspalthöhe/Achsabstand > 12/1000 besteht. Erfindungsgemäß werden die Spalthöhen vorzugsweise so gewählt, dass bei Enddruckbetrieb ein mittlerer Kammerdruck von 100 mbar erst nach etwa 20% der Rotorlänge, von der Anlassseite aus gemessen, unterschritten wird.Furthermore, it is preferred that the profile of the screw rotors is substantially symmetrical. For example, trapezoidal profiles, cycloidal profiles or involute profiles are preferred here. It is preferred that the gap height, i. H. in particular, the distance between the screw rotors and the housing inner wall is selected such that the compression extends over a relatively long area on the outlet side of the rotor. Particularly preferred here in the cold state of the turbomolecular pump is a ratio cold gap height / axial distance> 2/1000. Furthermore, it is preferred that in the operating state, d. H. when the operating temperature reaches a ratio of cold gap height / center distance> 12/1000. According to the invention, the gap heights are preferably selected such that, during final pressure operation, an average chamber pressure of 100 mbar is not reached until after about 20% of the rotor length has been reached, measured from the starting side.
In bevorzugter Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Schrauben-Vakuumpumpe eine Nenndrehzahl Drehzahl von mehr als 5000 Umdrehungen pro Minute auf. Ferner kann zur Vermeidung von Überkompressionen im druckseitigen Bereich der Schraubenrotoren ein Überdruckventil vorgesehen sein. Anstatt oder zusätzlich zu dem Vorsehen eines Überdruckventils ist es möglich, eine Drehzahlsteuerung vorzusehen. Durch ein entsprechendes Absenken der Drehzahl kann ebenfalls eine Überkompression vermieden werden. Durch beide Maßnahmen kann die Leistungsaufnahme bei hohen Ansaugdrücken und damit die installierte Motorleistung wirksam reduziert werden.In a preferred embodiment, the screw vacuum pump according to the invention has a rated speed of more than 5000 revolutions per minute. Furthermore, to avoid over-compression in the pressure-side region of the screw rotors, a pressure relief valve may be provided. Instead of or in addition to the provision of a relief valve, it is possible to provide a speed control. By a corresponding lowering of the speed also over-compression can be avoided. By both measures, the power consumption at high intake pressures and thus the installed engine power can be effectively reduced.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Die beiden in
Die Steigung der Schraubenrotoren ist durch die schräg verlaufenden Linien
Erfindungsgemäß handelt es sich um langbauende Schraubenrotoren
In
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Rotors
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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