DE10334481A1

DE10334481A1 - Antrieb einer Spindelvakuumpumpe

Info

Publication number: DE10334481A1
Application number: DE2003134481
Authority: DE
Inventors: Ralf Steffens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-03-17

Abstract

Als einfacher Antrieb einer trockenverdichtenden Spindelvakuumpumpe mit zwei gegensinnig berührungsfrei arbeitenden Spindelrotoren zur Förderung und Verdichtung von Gasen wird zur gleichzeitigen Drehzahl-Erhöhung und Rotorpaar-Synchronisation vorgeschlagen, dass ein geschlossener Riementrieb von einem Motor-Riemenrad synchron die beiden identisch großen, um das gewünschte Übersetzungsverhältnis kleineren rotorfesten Riemenräder über einen Krümmungswechsel im Riementrieb antreibt, wobei der Riementrieb vorzugsweise als doppelseitiger Zahnriemen ausgeführt wird und der Antriebsmotor parallel zum Rotorpaar der Spindelvakuumpumpe auf gleicher Höhe angeordnet wird und die Positionierung des Antriebsmotors für die notwendige Riemenvorspannung sorgt.

Description

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, Kluenpumpen, 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 10 und 100 m³/h, der zur Zeit noch eindeutig von den genannten nasslaufenden Vakuumpumpen der Flüssigkeitsringmaschinen und der ölgeschmierten Drehschieberpumpen beherrscht wird.

In der Vakuumtechnik werden zunehmend trockenverdichtende Schraubenspindelpumpen eingesetzt, weil sie als typische 2-Wellenverdrängermaschinen das vakuumspezifisch erforderlich hohe Kompressionsvermögen einfach dadurch realisieren, dass sie die notwendige Mehrstufigkeit als Hintereinanderschaltung mehrerer abgeschlossener Arbeitskammern über die Anzahl der Umschlingungen je Spindelrotor äußerst unkompliziert erreichen. Außerdem wird durch die berührungslose Abwälzung der Spindelrotore eine erhöhte Rotordrehzahl ermöglicht, so dass relativ zur Baugröße gleichzeitig Nennsaugvermögen sowie Liefergrad steigen. Für die größeren Trockenläufer gibt es bereits befriedigende Spindelpumpen-Ansätze, die jedoch nicht auf die kleineren Baugrößen übertragbar sind, weil das Kostenziel zur Substitution der Nassläufer verfehlt wird. Denn der bekannte Aufwand der großen (jenseits 100 m³/h Saugvermögen) trockenverdichtenden Spindelpumpen hinsichtlich Kühlung und Antrieb wird bei einer Reihenentwicklung für die kleineren Maschinen relativ zu den Gesamtkosten derart hoch, dass derartige Trockenläufer mit geringerem Saugvermögen preislich nicht konkurrenzfähig zu den herkömmlichen Nassläufern sind. Diese Schwierigkeit betrifft insbesondere den Antrieb sowie die Gestaltung des Rotorpaares in Relation zum Achsabstand und dem Gehäusezylinder-Durchmesser.

Für höhere Rotordrehzahlen verbessert sich bei trockenverdichtenden Schraubenspindelpumpen bekanntlich der volumetrische Wirkungsgrad. Gleichzeitig ist ein berührungsfreies Abwälzen des gegenläufigen Rotorpaares über eine externe Synchronisation jederzeit zu gewährleisten. Diese beiden Aufgaben zum Antrieb hinsichtlich Drehzahl-Erhöhung und Rotorpaar-Synchronisation sollten möglichst einfach kombiniert und parallel erfüllt werden. In der DE 100 04 373.9 wird eine derartige Lösung für diese Antriebsaufgabe beschrieben, die jedoch ein Schmiermittel (allgemein = Öl) benötigt. Indem dieses Schmiermittel gemäß DE 198 00 825.2 gleichzeitig noch zur Wärmeabführung aus den Verdrängerrotoren genutzt wird, ist diese Lösung für die größeren (ab etwa 100 m³/h Saugvermögen) Spindel-Vakuumpumpen sinnvoll und gut. Dieser Aufwand ist jedoch insbesondere bei kleineren trockenverdichtenden Spindel-Vakuumpumpen zu hoch, denn die Lösung der Thermik-Aufgabe per Rotor-Wärmeabführung ist bei kleineren Maschinen mit geringerem Leistungsbedarf weniger relevant als die Erreichung möglichst geringer Herstellkosten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, für trockenverdichtende Spindelvakuumpumpen eine besonders einfache und preiswerte sowie robuste und kompakte Lösung für die Antriebsaufgabe zu erstellen, indem die Erhöhung der Rotordrehzahl und die Synchronisation für das Spindelrotorpaar gleichzeitig und mit möglichst geringem Aufwand verwirklicht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein endloser Riementrieb von einem größeren antreibenden Motor-Riemen-Rad synchron die beiden gleich großen, um das gewünschte Drehzahl-Übersetzungsverhältnis kleineren rotorfesten Riemenräder über einen Krümmungswechsel im Riementrieb derart antreibt, dass ein Rotor-Riemen-Rad linkskrümmend und das andere Rotor-Riemen-Rad rechtskrümmend angetrieben werden, wobei der Riementrieb vorzugsweise als doppelseitiger Zahnriemen ausgeführt und der Antriebsmotor parallel zum Rotorpaar der trockenverdichtenden Spindelvakuumpumpe angeordnet wird.

Vorteilhafterweise kombiniert diese erfindungsgemäße Antriebslösung die Aufgabe der Drehzahl-Erhöhung mit der notwendigen Rotorpaar-Synchronisation besonders einfach und preiswert bei gleichzeitig akzeptablen Umfangsgeschwindigkeiten. Denn trotz der höheren Drehzahlen für beide Verdrängerrotore zwecks besserer Liefergrade sind die Riemen-Geschwindigkeitswerte in gewohnten und bewährten Bereichen, weil die rotorfesten Riemen-Räder kleiner als der Achsabstand der Spindelpumpe ausgeführt werden.

Außerdem benötigt der erfindungsgemäße Riementrieb gegenüber den herkömmlichen Verzahnungslösungen keinerlei Schmiermittel, so dass mit lebensdauer-fettgeschmierter Rotorlagerung vorteilhafterweise die gesamte Maschine ohne zusätzliches Betriebsfluid, also komplett trockenlaufend, ausgeführt werden kann. Damit reduziert sich der gesamte Teile-Aufwand für diese neuartige Spindelvakuumpumpe deutlich, so dass anforderungsgerecht die Herstell- und Betriebskosten drastisch gesenkt werden. Außerdem wird für einen möglichst geringen Gesamt-Platzbedarf durch die parallele Anordnung von Antriebsmotor und Rotorpaar eine sehr kompakte Maschine erreicht.

In 1 ist die erfindungsgemäße Antriebslösung beispielhaft als Stirnsicht dargestellt. Die trockenverdichtende Spindelvakuumpumpe als 2-Wellenverdrängermaschine ist auf der linken Seite mit den beiden Verdrängerrotoren als "Rotor 1" und "Rotor 2" abgebildet. Mit der bekannt spiegelbildlich identischen Rotorausführung sind die beiden Rotor-Wälzkreise "WK 1" und "WK 2" in gestrichelter Linien-Darstellung ebenso groß wie der Achsabstand beider Verdrängerrotore als Strecke zwischen den Rotormittelpunkten M₁ und M₂. Die Rotorspindeln werden vom acht-förmigen "Pumpen-Gehäuse-Zylinder" umschlossen, um anforderungsgerecht das Fördermedium im Arbeitsraum der Spindelvakuumpumpe zu transportieren. Der "Gas-Auslass" befindet sich vorzugsweise unten, dargestellt noch als einfacher Sammelraum, der in Achsrichtung anschließend in die gewohnte kreisförmige Flanschform übergeht. Die Gasförderrichtung dieser erfindungsgemäßen Spindelvakuumpumpe erfolgt damit ohne Änderung der Gasfluss-Orientierung, so dass diese Maschine mit der parallel versetzten Motor-Anordnung als vorteilhafte "Inline"-Pumpe einsetzbar ist, also übereinstimmend mit der Fördermedium-Leitungsrichtung, so dass sich das Förderverhalten klar verbessert, beispielsweise gegenüber unerwünschten Ablagerungen von mitgerissenen Teilchen, Geräusch-Verhalten durch Umlenkungen etc..
"RiemenRad 1" und "RiemenRad 2" sind im Durchmesser exakt gleich groß, aber deutlich kleiner als der Achsabstand und jeweils rotorfest mit jedem Verdrängerrotor verbunden. Dabei bedeutet "rotorfest" sowohl eine exakte Fixierung hinsichtlich sicherer Drehmoment-Übertragung, insbesondere drehwinkelfest durch entsprechend feste Verbindung zwischen Verdrängerrotor und RiemenRad, als auch biegesteif zur sicheren Aufnahme der Riemenreaktionskräfte über eine zuverlässige Abstützung bei der Rotorlagerung.
Der "Antrieb/Motor" befindet sich in 1 auf der rechten Seite und wird parallel zur Spindelvakuumpumpe möglichst dicht an der Spindelvakuumpumpe montiert. Auf der Motorwelle ist das "Motor-Riemen-Rad" befestigt, welches um das gewünschte Drehzahl-Übersetzungsverhältnis größer als jedes rotorfestes "RiemenRad" ist. Der erfindungs gemäße "Antriebs- und Synchronisations-Riemen" als geschlossener Kreis umfasst nun:

a) das "Motor-Riemen-Rad" zwischen den Punkten A und F über den rechten Bogen
b) das "RiemenRad 2" zwischen den Punkten B und C am oberen Bogen sowie
c) das "RiemenRad 1" zwischen den Punkten E und D am linken Bogen.

Damit der Umschlingungswinkel am "RiemenRad 2" zwischen C und B für eine sichere und synchrone Leistungsübertragung hinreichend groß ist, wird die "Motor-Achse" M_A des Antriebsmotors gemäß 1 nach unten versetzt und möglichst nah zur Pumpe positioniert. Die Riemenlänge zwischen den Punkten C und D wird minimiert bei gleichzeitig möglichst großer Umschlingsbogenlänge zwischen B und D, um die Synchronisationsgenauigkeit zu verbessern.
Mit der Positionierung des Antriebsmotors entsprechend dem in 1 dargestellten Doppel-Kreuzpfeil mit dem Kennzeichen "s" für die Motor-Achse als Punkt M_A wird die notwendige Vorspannung im Riementrieb erzeugt. Diese Riemenvorspannung kann auch durch eine im Betrieb wirkende elastische/nachstellende M_A-Positionierung erfolgen, wie dies aus dem Spannrollen-Ansatz hinlänglich bekannt ist, wobei sinnvollerweise hier der Motor als Spannrolle betrachtet wird. Diese Technik ist ausreichend bekannt und braucht daher nicht weiter beschrieben werden.
Die Drehrichtung erfolgt für die Darstellung entsprechend 1 vorzugsweise entgegen dem Uhrzeigersinn, um am RiemenRad 2 die notwendige Riemenspannung jederzeit zu gewährleisten, wohingegen die lastarme Verbindung zwischen den Punkten E und F als "Leertrum" die Rotorpaar-Synchronisation wegen der hohen Umschlingung am Riemen-Rad 1 nicht beeinträchtigt.
Der erfindungsgemäße Antrieb für eine trockenverdichtende Spindelvakuumpumpe ergibt damit eine besonders einfache und preiswerte sowie robuste und kompakte Lösung für die Antriebsaufgabe zur gleichzeitigen Drehzahl-Erhöhung und Rotorpaar-Synchronisation.

Claims

Trockenverdichtende Spindelvakuumpumpe zur Förderung und Verdichtung von Gasen über zwei gegensinnig berührungsfrei drehende Spindelrotore mit einem Antrieb zur gleichzeitigen Drehzahl-Erhöhung und Rotorpaar-Synchronisation dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener Riementrieb von einem Motor-Riemen-Rad zugleich die beiden gleich großen rotorfesten Riemenräder über einen Krümmungswechsel im Riementrieb antreibt.
Antrieb einer Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Riementrieb als doppelseitiger Zahnriemen ausgeführt wird.
Antrieb einer Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Motor-Riemen-Rad um das gewünschte Übersetzungsverhältnis größer als der Durchmesser der rotorfesten Riemenräder ist.
Antrieb einer Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der rotorfesten Riemenräder kleiner als der Achsabstand des Spindelrotorpaares ist.
Antrieb einer Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor parallel und auf gleicher Höhe zum Spindelrotorpaar sowie in Richtung zum Gas-Auslass der Spindelvakuumpumpe versetzt angeordnet wird.
Antrieb einer Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelvakuumpumpe als "Inline"-Pumpe ausgeführt wird, indem der Gas-Einlass und der Gas-Auslass in gleicher Fluchtrichtung angeordnet sind.
Antrieb einer Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelvakuumpumpe mit lebensdauer-fettgeschmierter Lagerung ausgeführt wird und damit als komplett trockenlaufende Maschine ohne zusätzliches Betriebsfluid arbeitet.
Antrieb einer Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass über die Positionierung des Antriebsmotors die notwendige Riemenvorspannung erzeugt wird.
Antrieb einer Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor so positioniert wird, dass dieser zu der Riemenumschlingungsbogenseite desjenigen rotorfesten RiemenRades, das sich dem Antriebsmotor am nächsten befindet, gegenüber liegt.
Antrieb einer Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Position des Antriebsmotors die Länge des Riemen-Umschlingungsbogens an demjenigen rotorfesten Riemenrad, das dem Antriebsmotor am nächsten liegt, maximiert wird.
Antrieb einer Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor möglichst nah am Gehäuse-Zylinder der Spindelvakuumpumpe liegt.