DE1428156A1 - Drehkolbenverdichter und Grobvakuumpumpe - Google Patents

Description

• Drehkolbenverdichter und Grobvakuumpumpe Das bekannte Rootgebläse mit zwei gleichen Drehkolben wird als Verdichter unbrauchbar, wenn man von einem Saugdruck p0,"1 at auf mehr als pv%,1,8 at fördern will, weil dann Wirkungsgrad und Liefergrad wegen isochorer Verdichtung und der im Geriet turbulen- ter Spaltströmung dem Druckverhältnis pv/ps = linear verhältigen Spaltverluste unwirtschaftliche Werte ereichen. Auch als Grobvakuumpumpen sind solche Gebläse bei einem Ausblasdruck pv s,760 Torr aus den gleichen Gründen nur bis zu Saugdrücken p. 7 25o Torr verwendbar. Schraubenverdichter können zwar bis 6@ 4 als stetig wirkende Verdichter mit Höchstwerten für den adiabatischen Wir- kungsgrad (nr83 %) ausgebildet werden, jedoch sind diese Maschinen wegen verschiedener radialer und axialer Wärmedehnungen beider Räder sehr störungsempfindlich und wegen der dazugehörenden Toleranzen auch mit großen Fertigungsschwierigkeiten behaftet.
• Das erfindungsgemäße Drehkolbengebläse arbeitet mit einer sehr einfachen Geradveraahnung, bei der man nur radiale Toleranzen für lertigung und Einbau zu beachten hat. Seine Verdichtung ist zwar nicht so exakt, wie beim Schraubenverdichter, doch wird hier 3/4 der Fördermenge.atetig verdichtet. Der Rest, der bei sorgloser Bemessung der Steuerkanten bis auf den Enddruck p. isochor ver- dichtet werden würde, braucht hier bei sinnvoller Abstimmung der- . selben nur bis auf einen Zwiechendruck isochor verdiöhtet zu werden: Damit ist diese in Fig. 1, 2 dargestellte Bau- art auf sohr vielen Anwendungsgebieten sowohl dem Rootgebläse als auch dem Schraubenverdichter überlegen. Genaue Untersuchungen haben gezeigt, daia hier die Paarung eines zweizahnigen Arbeitsrades 1 mit einem 2 in einem mit verschie- denen Durchmessern hierfür gebohrten Gehäuse 3 die günstigsten Verhältnisse für alle zwischen (5-,= n.r1 ,8 - m 4 liegenden to -Werte ergibt,wobei der die isochoren Anteile berücksichtigende Stola-. wirkungsgrad die Grenzen N 95% - - 8o 8a nicht unterschreitet.
• Die beiden Räder-1, 2 werden in bekannter Weise durch ein damit verbundenes Zahnradgetriebe zu berührungslosem Gleichlauf ge- zwungen. Fig. 1 zeigt die für b -günstigsten Radprofile. Zerr besseren Einsicht soll hier von einem Saugdruck 1 at ausgegangen werden, um auf dieser Basis für alle Stadien der Verdichtung die entsprechenden Drücke in den verschiedenen Arbeitszellen zu ent-- wickeln.' Das zwischen dem Teilkrein 1o und dem Kopfkreis 11 den in seiner Totlage gezeichneten Arbeitsrades 1 liegende Profil ist hier eine Zpkloide 12, die durch Abrollen des Teilkreises 2o auf dem Teil- kreis 1o entsteht. Das Gegenprofil hierzu besteht demnach nur aus den auf dem Teilkreis 2o liegenden Kammerkanten 21,22. Das inner- halb des Teilkreises 2o liegende Kammerprofil kann hier frei &e- wählt worden, solange sich die Zahnköpfe des Arbeitsraden-daran berührungsfrei vorbeibewegen können. Im Grenzfall findet-Man-hierfür zwei durch einen kurzen Fußkreisbogen verbundene Trochold-en, die man hier genau genug durch einen passend zu wählenden Kreis- bogen 23 vom Radius r anzunähern vermag, ohne sich damit allzunehr von dem sonst erreichbaren Schadraum:minimum zu entfernen.-Der so entstehende Schadraum 4 beträgt hierev3%. Um weitere Schadraum- löcken zu vermeiden, müßte das innerhalb des Teilkreises 1o lie- gende Arbeitaradprofil ein Kreisbogen sein, dessen Radius c dem Abstand des Schleusenradkopfkreises 24 vom Teilkreis 2o entspricht. Man kann jedoch im Sinne einfachster Gestaltung die Kanten 21,22 stets durch zwei parallele Profilteile25, 26 mit dem Kopfkreis 24 verbinden und dazu die entsprechenden Trochoidenbogen 13-am-Arbeitsrad 1 suchen. Die dabei entstehenden winzigen Schadraumr löcken sind bei allen hier vörkommenden c-Werten zu vernachlässigen. Endliche c-Werte sind stets günstig, um durch die damit bewirkte Mahlbewegung ein Festwalzen von Fremdsubstanzen zu vermeiden.
• Das Gas strömt durch den Saugkanal 3o mit dem Druck p8 - 1 at in die durch die Räder 1, 2 und die Wände des Gehäuses 3 gebildeten Zellen. In den Arbeitsradzellen wird hier 3/4 der Fördermenge stetig und stoßfrei verdichtet, solange der durch die Abkantungen 25, 26 begrenzte zylindrische Umfang des Schleusenrades 2 noch nicht die Steuerkante 31 des Gehäuses überfahren hat. Die-steuernde Kante 25 des Schleusenrades erreicht hier die steuernde Gehäuse- kante 31 bei einem Druckverhältnis,v 2,5. Von da ab steigt der Druck in der Arbeitszelle infolge Rückströmens solange steil an, bis sich die Steuerkanten 25, 31 weit genug voneinander entfernt haben, um einen genügend freien Abstrom in den jenseits der Ge- häusekante 31 angeordneten Abströmkanal 32 zu ermöglichen,-wo der Volldruck pv s 3 at herrscht. Bei weiterer Drehung gelangen die Räder 1, 2 schließlich in die punktiert angegebene Sperrstellung, wo die Kammerkante 22 vor Erreichen der Totlagenstellung mit dem Arbeitsrad an seinem Kopfkreis 11 zum Eingriff gelangt und ein weiterer direkter Abfluß des in der eingreifenden Schleusenkammer abgesperrten Gases nicht mehr möglich ist.' Diese Restgasme_nge von @r3 at soll über die in den Seitenwänden 5 ausgesparten Nischen 5o mit dem Inhalt der nachfolgenden-Schleusenkammer bei stoßartigem Verlauf von Entladung und Aufladüng vereinigt werden, wobei man hier im Idealfall eines sofortigen Ausgleiches den Mischdruck pz ^,1,7 at erhält. Der diesen beiden Kammern von nun an gemeinsame Druck erreicht bei weiterer Drehung und stetiger Verdichtung %",2,4 at, wenn die eingreifende Kammer die Totlage durchläuft. Voraussetzung hierfür ist nur, daß die Steuerkante 33 des Abflußkanals 32 erst nach Durchfahren der Totlage von der steuernden Abkantung 25 der Schleusenkammer überfahren wird. Die seitlichen Steuerkanten 5-1,' 52 der Nischen 5o-müssen jeweils «en Kammerprofilen 23 so zugeordnet werden, daß eine vorzeitige Füllung der anlaufenden Kammer und eine nachträgliche Zuladung des Totraumes 4 von 2,4 at auf den Volldruck pv vermieden wird, um so Höchstwerte für den Stoßwirkungsgrad zu erreichen. Die andere Steuerkante des Kanals 32 liegt ganz nahe analer Gehäusekante und würde im Falle c=o mit ihr zusammenfallen. Man kann nachweisen, daß die hier als-wichtig erkannte sorgfältige Bemessung der Steuerkanten 51,52, 33-gegen-Fiber einem sorglos breit bemessenen Kanal 32 und überlangen Nischen 5o eine wesentliche Wirkungsgradverbesserung bewirkt, die hier N 5@ ist und in manchen Fällen (-Dauerbetrieb-' von entazheidender Bedeutung sein kann. Nach Überfahren der Kante 52 wird der Totraum 4 von der folgenden Kammer 4o getrennt, welche gleich darauf nach Überfahren der Steuerkante 33 durch die Kammerabkantung 25 stoß- artig auf den. Volldruck pv geladen wird. Der bei richtiger Bemessung aller Steuerkanten auf 2,4` pv ge- ladene Totraum 44 könnte bei weiterer Drehung adiabatisch ent- spannt werden, jedoch ist der dabei zu erhoffende Gewinn an Rück- expansionsarbeit von geringerem Einfluß auf den Gesamtwirkungsgrad als die Vergrößerung der Fördermenge, die man erreicht, wenn man in der hier/vorgeschlagenen Weise über Ausgleichsnischen 53 einen Druckausgleich mit der vorauseilenden, bereits vom Saugraum 34-getrennten Schleusenkammer 42 bewirkt. Dieser stoßartige Mischvorgang endet hier im Idealfall eines sofortigen Ausgleiches beiN1,1 at: Auch hier müssen die seitlichen Begrenzungen 54, 55 dieser Nischen 53 gegenüber dem Kammerprofil 23 der Totlage je nach Schnelläufig- keit genau bemessen werden. Da sich der Totraum 4 nach dem Druck- ausgleich auf 1,1 at sehr rasch auf den Saugdruck entspannt, ist a es zweckmäßig, das Zykloidenprofil 12 auf den Saugseiten mit einer entsprechenden Profilabweichung 13 zu versehen, die eine recht- ' zeitige und ausreichende Verbindung mit dem Saugraum 34 gewährt. Oberflächliche Betrachtung könnte bemängeln, daß durch den c > o-Wert kurz vor Erreichen der punktierten Sperrstellung ein Huraschlußverlust entsteht, doch ist dieser Verlust c2-verhältig und bei den hier möglichen Arbeitsgeschwindigkeiten nur das N o/r-fache des dadurch.gewonnenen zusätzlichen Fördervermögens. Man kann daher stets o /,r/4 wählen, um damit nicht nur einen sauberen Betrieb, sondern auch noch eine vergrößerte Fördermenge und bessere Strömungsverhältnisse durch die dabei möglichen Abkaatungen 21, 22 ohne nennenswerten Verlust an Wirkungsgrad zu orreiohen.

  Für Saugdrücke ps 'O, 5 at bleibt das mit solchen Gebläsen er-

  reichbare:Druckverhältnis an eine feste Grenze @L 4 gebunden, wel-

  che durch die in allen Dichtspalten eben noch turbulente Strömung

  vorgeschrieben wird. Auah Unterhalb p, Z 5 at bleibt die Strömung

  nur noch

  wen 3.g m .te aa-an den Abkantungen 25, 26 nee turbulent, so daß dieses

  Am cu m

  Gebläse als Grobvakuumpumpe brauchbar ist, welche bei pv

  1 at = 76o Torr ausbläst und dabei Saugdrücke von ps,-,.r1oo Torr mit noch erträglichem Stoßwirkungsgrad (r,.,70%) zu erreichen ge- stattet. Die dazugehörende Stoßverdichtungstemperaturrv3oo C -(Luft) ist jedoch mit ungekühlten Rädern nicht mehr zu beherrschen. Da die hier anfallende Wärmeleistung zwar klein, aber von hoher Tem- peratur ist, kann man am Schleusenrad 2 eine ausreichende Kühlung erreichen, .wenn seine Wärme über die breiten Dichtungsspalte zwisehen je zwei Kammern durch Wärmeleitung im Gas an die entsprechend gekühlten Gehäusewände abführt. Man könnte hierzu die Gehäusewand in der Schleusenradzone mit einem von Wasser oder Öl durchströmten Kühlmantel versehen, doch kann man nachweisen, daß man die hIer-änfallende Wärmeleistung bis zu Gehäusebreiten~ 5oo mm viel elegänter durch Wärmeleitung nach den Flanschen abführen kann, welche durch Kühlrillen 35 und entsprechende-Anschlüsse 36 mit Öl durch- spült werden. Die Zuleitung der Gehäusewärme zu den gekühlten Flanschen kann durch Wärmeleitrippen 37 wesentlich verbessert wer- den. Das Arbeitsrad 1 mit seinen schmalen Zahnköpfen muß von innen gekühlt werden, doch genügt hier bis zu Kopfkreiedurchmesaern 5oo mm eine Mittenbohrung 14, die durch einen Füllkörper 6-verengt ist, um das Kühlöl bei großer Kühlfläche zu raschem Fluß zu zwingen. Diese und noch intensivere Kühlmaßnahmen kann man auch für 1;Iee3 dichter dieser Art mit Saugdrücken p. > 1 at" anwenden, wenn -maar bei 6> 2, großen Abmessungen und Dauerbetrieb Höchstwerte fiir--den Wirkungsgrad erstrebt.

Claims (4)

1. A n . s p r ü q Ih;yb 1 i Drehkolbenverdichter und Grobvakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweizahniger Arbeitsrotor (1) mit Zykloidenverzahnung (12) an einem dreizahnigen Schleusenrad (2) mit Punktverzahnung (21,22 verzahnt ist, dessen Abkantungen (25,26) und Profil (23) mit der Begrenzung (33) des radialen Abflußkanals (32) und den Begrenzungen (51,52 von seitlichen Abflußnischen in den Seitenwänden (5) so zusammenwirken, daß der Inhalt der Schleusenkammer nur bis zu einem Zwischendruck j_sochor verdichtet wird, wogegen in der Zelle des Arbeitsrades durch Anordnung des Auslaßkanals (32) jenseits der inneren Gehäusekante (31) eine stetige Verdichtung erfolgt.
2. 2. Drehkolbenvere'-_chter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Totraumes (4) durch Ausgleichsnischen-(53) nach der vorauseilenden, bereits-vom Saugraum (34) getrennten Schleusenkammer (41) entspannt wird.
3. 3. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne des Arbeitsrades mit Profilabweichungen (13) zum Zwecke einer rechtzeitigen Öffnung nach dem Saugraum versehen sind.
4. 4. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kopfkreis (24) und dem Teilkreis (2o) des Schleusenrades ein endlicher Abstand c r/4 besteht. a Dr,ehkolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 4,, dadurch gekennm Zeichnet, daß die Kühlung des Schleusenrades durch lfürme- leitauig im Dichtspalt und eine entsprechende Gehäusekühlung er fn?gtn