DE10334484A1

DE10334484A1 - Trockenverdichtende Spindelvakuumpumpe

Info

Publication number: DE10334484A1
Application number: DE2003134484
Authority: DE
Inventors: Ralf Steffens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-03-24

Abstract

Zur Verbesserung des tatsächlichen Saugvermögens und des Wirkungsgrades bei trockenverdichtenden Spindelvakuumpumpen mit einem gegenläufig drehenden Rotorpaar mit sich längs der Rotorachse verändernder Steigung zwischen der größeren Eingangssteigung und der kleineren Ausgangssteigung wird ein neuartiger Steigungsverlauf längs der Rotorachse vorgeschlagen, indem nach der das Nenn-Saugvermögen erzeugenden Eingangssteigung der Funktionsverlauf der Rotorsteigung zunächst auf einen Maximalwert ansteigt und dann stetig fallend auf die ausgangsseitige Steigung übergeht, wobei die maximale und die minimale Steigungsänderung betragsmäßig vorzugsweise gleich groß gewählt werden.

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, 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. 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.

Nach dem Stand der Technik werden die Rotore bei trockenverdichtenden Schraubenspindel-Vakuumpumpen bekanntlich als gegenläufig rotierendes Spindelpaar ausgeführt, in dessen Profillückenweiten das Fördermedium vom Ein- zum Auslass transportiert wird. Zur Minderung des Leistungsbedarfs per "innerer Verdichtung" sind dabei diese Arbeitskammern saugseitig größer als ausgangsseitig ausgeführt. Dies wird vorzugsweise durch eine veränderliche Steigung längs der Rotorachse erreicht. Der Übergang zwischen der saugseitig höheren Rotorsteigung zur ausgangsseitig geringeren Steigung erfolgt bisher über eine monoton laufende Funktion längs der Rotorachse. Das Rotorpaar hat spiegelbildlich identische Form, wobei ein Rotor rechtssteigend und der andere linkssteigend ausgeführt wird. Als Verdrängermaschine bestimmt dabei die saugseitige Steigung im Einlassbereich das Nenn-Saugvermögen der Schraubenspindel-Vakuumpumpe. Insbesondere bei geringeren Geometrie-Abmessungen der Spindel-Vakuumpumpe gelingt es bisher jedoch nicht befriedigend, ein hohes tatsächliches Saugvermögen zu erreichen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, für trockenverdichtende Spindelvakuumpumpen eine besonders einfache und preiswerte sowie robuste Lösung für die Gestaltung der Rotor-Geometrie zu erstellen, die eine Erhöhung des tatsächlichen Saugvermögens insbesondere bei geringeren Abmessungen gewährleistet, ohne dass der Leistungsbedarf ansteigt, um folglich Liefergrad und Wirkungsgrad zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Übergang zwischen der saugseitig höheren Rotorsteigung zur ausgangsseitig geringeren Steigung am Rotorpaar längs der Rotorachse z derart ausgeführt wird, dass nach der saugseitigen Steigung zur Erzeugung des Nenn-Saugvermögens die Steigung m(z) längs der Rotorachse zunächst auf einen Maximalwert ansteigt und dann monoton fallend zur ausgangsseitigen Steigung übergeht, wobei die Steigungsänderung m'(z) einen (positiven) Maximalwert und einen (negativen) Minimalwert aufweist, deren Werte betragsmäßig möglichst gleich groß ausgeführt werden mit einem vorzugsweise stetig differenzierbaren Funktionsverlauf.

Die saugseitig eingeschlossenen Arbeitskammer-Volumina multipliziert mit der Drehzahl ergeben das Nenn-Saugvermögen. Dieser Wert bestimmt ursächlich bei der gewünschten Druckdifferenz und einer gewählten inneren Verdichtung (per Steigungsänderung erzeugt) die Verdichterleistung einer trockenverdichtenden Spindelvakuumpumpe. Allerdings wird der tatsächliche Volumenstrom durch das "Schluckvermögen" der Maschine beeinträchtigt, da insbesondere bei geringeren Geometrie-Abmessungen der tatsächlich aufgenommene Gasvolumenstrom teilweise deutlich verringert wird. Als Abhilfe kann nun die saugseitige Steigung erhöht werden, um somit das theoretische und folglich auch das effektive Saugvermögen zu erhöhen. Allerdings steigt damit wiederum der Leistungsbedarf der Pumpe, so dass sich der Gesamt-Wirkungsgrad verschlechtert und die Zielsetzung verfehlt wird. Durch den erfindungsgemäßen Verlauf der Rotorsteigung wird dieser Nachteil vermieden, indem das "Schluckvermögen" der Pumpe verbessert wird, ohne das Nenn-Saugvermögen und damit den Leistungsbedarf zu erhöhen. Durch die saugseitige Steigungsfestlegung wird die Leistungsaufnahme begrenzt und die direkt anschließende Steigungserhöhung verbessert das "Schluckvermögen" der Maschine, indem der effektive Volumenstrom durch die anschließend vergrößerten Arbeitskammern erhöht wird.

In den nachfolgenden Darstellungen werden diese Verbesserungen beispielhaft vorgestellt und erläutert.
In 1 ist nach dem Stand der Technik ein Spindelrotorpaar mit veränderlicher Steigung beispielhaft dargestellt. Das gasförmige Fördermedium wird von der rechten Seite (Saugseite) auf die linke Seite (Ausgang) durch gegenläufige Drehung des Spindelrotorpaares in den Zahnlückenvolumina gefördert. Durch die veränderliche Steigung längs der Rotorachse verringern sich die Arbeitskammervolumina als "innere Verdichtung", so dass sich die notwendige Verdichterleistung entsprechend reduziert. Das Rotorpaar arbeitet generell berührungslos mit engen Spalten zwischen den Rotorflanken sowie zum umschließenden Gehäuse und ist insbesondere bei höheren Rotordrehzahlen aus Gründen der Wuchtgüte zweigängig ausgeführt.
In 2 ist nach dem Stand der Technik der bekannte Steigungsverlauf längs der Rotorachse dargestellt: Dabei wird die Rotorsteigung m als Funktion von z zur Positionierung längs der Rotorachse ebenso aufgetragen wie die erste Ableitung als Steigungsänderung. Die Position z = 0 kennzeichnet den Rotor-Auslass mit der geringen ausgangsseitigen Steigung m_aus entsprechend 1 auf der linken Seite und bei z = l als Rotorprofillänge den Einlass mit der saugseitigen Steigung m_ein gemäß 1 auf der rechten Seite. Die beanspruchte Rotorlänge in z-Achsrichtung je Steigungsbereich ergibt sich aus der Notwendigkeit, dass für zumindest eine Rotorumdrehung die gewünschten Arbeitskammer-Volumina über die Zahnlücken gebildet werden müssen: also sauseitig zur Erzeugung des Nenn-Saugvermögens und ausgangsseitig zur Realisierung der inneren Verdichtung durch Reduzierung der Arbeitskammergrößen. Damit benötigt die saugseitig größere Steigung folgerichtig mehr Rotorlänge bei einer Rotorumschlingung als die Ausgangssteigung. Der Steigungsübergang von der das Nenn-Saugvermögen bildenden Saugseite zum Auslassbereich erfolgt entsprechend 2 bisher als monoton fallende Funktion (von rechts nach links gesehen). Die (gestrichelte) Steigungsänderung m'(z) ist ohne Vorzeichenwechsel.
In 3 ist der erfindungsgemäße Verlauf der Rotorsteigung als durchgezogene Linie beispielhaft dargestellt:
Nach dem das gewünschte Nenn-Saugvermögen erzeugenden Einlass-Steigungsbereich mit m_ein erhöht sich die Rotorsteigung m(z) in Rotorlängsachsrichtung z zunächst auf den Maximalwert m_max und geht dann stetig fallend zur ausgangsseitigen Steigung m_aus über. Dementsprechend verläuft folgerichtig die Steigungsänderung m'(z) als gestrichelte Linie mit einem kleinsten Wert m'_min und einem größten Wert m_max sowie einem Nulldurchgang. Indem die Rotorfertigung allgemein mit der größten Steigungsänderung zusammenhängt, sollten die Werte für m_max und m'_min betragsmäßig gleich groß ausgeführt werden und die gewählte Funktion sollte stetig differenzierbar sein.
Bei gleicher Stufenzahl (als Anzahl der abgeschlossenen Arbeitskammern) benötigt der Spindelrotor mit dem erfindungsgemäßen Steigungsverlauf mehr Rotorprofillänge l als ein Rotor entsprechend 2 nach dem Stand der Technik. Genau dieser Nachteil ist jedoch gerade bei geringeren Geometrie-Abmessungen (insbesondere kleinere Zahnprofilhöhe) akzeptabel, um das Schluckvermögen der Maschine und damit den Wirkungsgrad zu verbessern. Der Leistungsbedarf bleibt durch den saugseitigen Einlassbereich über m_ein anforderungsgerecht begrenzt und Liefergrad sowie Gesamt-Wirkungsgrad erhöhen sich. Der Maximal-Wert m_max der Rotorsteigung sollte zwischen 5 % und 25 % größer als die Eingangssteigung m_ein sein, vorzugsweise sind etwa 10 % auszuführen.

Claims

Trockenverdichtende Spindelvakuumpumpe mit einem gegenläufig drehenden Rotorpaar mit sich längs der Rotorachse verändernder Rotorsteigung von der saugseitig größeren Steigung m_ein zur ausgangsseitig geringeren Steigung m_aus dadurch gekennzeichnet, dass nach der das Nenn-Saugvermögen erzeugenden Eingangssteigung m_ein sich die Rotorsteigung längs der Rotorachse zunächst auf einen Maximalwert m_max erhöht und dann stetig fallend auf die ausgangsseitige Steigung m_aus übergeht.
Trockenverdichtende Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Steigungsänderung m'_max und die minimale Steigungsänderung m'_min betragsmäßig gleich groß gewählt werden.
Trockenverdichtende Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Rotorsteigung m_max um 5 % bis 25 % größer als die Eingangssteigung m_ein ist, vorzugsweise um etwa 10 % größer.
Trockenverdichtende Spindelvakuumpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungsverlauf längs der Rotorachse stetig differenzierbar ist.