DE1902634U - Mechanische hochvakuumpumpe des roots-geblaesetyps. - Google Patents

Description

567979*12.8. G'i

Heraeue GmbH» Ha&su/Maln

Patent*

Hanau, den 4. August 1959 PA-Dr ₀Bw/Hg

"Mechanische Hoohwktuampuape des Root β' Qeblttastyp»"

Dia Erfindung befiehl; sieh auf eine mechanische Vakuumpumpe des Boots-Gebläsetvp* for die Verwendung im Druckbareich unterhalb 20 Torr, insbesondere ale Hochvakuumpumpe.

Pie bekannten Roots-Geblltse gehören au einer großen Gruppe von Pumpen sur rein volumetrieoiien P or de rung (d«h. ohne wesentliche Kompression wahrend des Fördervorganges) von Gasen und Flüssigkeiten mit Äwei Rotoren, die auf iwei parallelen Aoheen in entgegengeset stern Drehsinn rotieren und in dem Zwischenraum sswieohen der OehKueeinnenwand und der Oberfläche dea Rotors ein gewisses Volumen von der Anaaug- but Druckseite fördern· Solche Pumpen werden vielfältig benutzt uhd eind in vielen verschiedenen Rotorformen bekanntο Schon im Mittelalter sind solche Pumpen beschrieben worden« s»B* die in Fig. 1a gezeichnete "Maohins Pappenheimiana" aus dem 1?. Jahrhundert mit seohstelligem Rotor.

Seit 1867« dem allgemeinen Bekanntwerden des eigentlichen, schon Mitte das vorigen Jahrhunderts erfundenen» nach den «weiten Erfindern P-H. und ?·*"· Boots genannten Gebläses mit gleichen Rotoren von aohtf örmigem Querschnitt wurden bisher und werden auch J et st noch viele Varianten dieser Pumpen beschrieben.

Solche Varianten sind in den Figuren Ib bis 11 dargestellt. Hierbei wurden beispielsweise euch die swel ovalen Rotoren (FIg_n 1o) und auch aolohe mit teilweise parallelen Flächen benutzt. Ss wurden aber auch Pumpen mit verschieden geformten Rotoren (s»B₃ 11) konstruiert·

Sweiaehslge Gefeit·· «lad auch sieht nur «it rein a*lindris®h«m Rotoren gäbest worden, aeodsm aaoh eit solur&ubenfurmig us* dia Drehachsen gedrehten Rotoren, wobei eich ein· »Brderung IJiage dar puapeaaohss und aiotst mir die erwähnte rein volumetrische yurderung, sondern auch eine Kompression wä&rend dee Wrdervorgangee erreichen ließ»

Seit einigen Jahren werden Roots-Oebläee mit aohtföimlg*n eyllndriaeAen Eotc»ren für VeJcuwmewecke becuteto Sa die Rotoren ontereinander und auoh alt den Puapengehttuse keine BerUnrung haben, beeitsen eie eotamale Spalte und werden deahalb suesjnen mit einer der Übliche· TorptMpen nxuc Srsengung τοη weitgehend danpffreie» Takuun bewttst. Brreie&t wurden auf dieee Veiae Vakua τοη 10"** rind •ogar 10*^ Torr fotaldruok· Pia grofle »ögliche ure&saal erlaubt, bei relativ kleinen iufieaaeJen gx*oAe Toltmetrieohe ?urderleiatungen su erreichen« die ein gtüsetiges Ereetsen einer großen und darum alt groter Lelatung a&eetriebenen Torrakuumpumpe duron eine wesentlich kleinere Torpnipe und eine Toa^geeohaltete fioote-Hoohvekuunpumpe mit lnegeeamt weaentlioh geringerer Antriebeleietung geetatten.

Die neuen Hoote-Vakuumpumpen haben eioh wegen ihrer großen Vorsttge nmoh Ihres Brecheinen auf des Markt in Überraschend kurzer Zeit eingeführt. Sie besitzen eine gute Förderleistung, haben aber einen Vaohteil, der Ihre Verwendung ale HöcnttYakuumpumpe fühlbar beeohrSnkt· Dieser Vaohteil besteht darin, deJ ihre Pumpleietung an einer Stelle der ferdarleletungeenarakterletik abfällt, die bei wesentlich größeren Brücken liegt« ale theoretisch erwartet werden motte.

Zur Beseitigung dieses Jfaohteilee wird ein überraschend einfacher Toreohlag gsaaeht. Br besteht darin* daß bei einer mechaniaohen Takuuapumpe dss Roots-eebHeetjpe für die Verwendung mit einer naohgeeohalteten Torpampe la Druokbereioh unter 20 Torr, inabesonder* wer Brseugutfg τοη Bochralnramp dls Quersohnittfläche der Rotoren vom swei sue inander parallelen Strecken von snvei, dieee Streoken verbildenden konve KurvenstUeken begrenzt 1st.

3 -

Solche erflndongegeafcfiea toote-Tekuampuapen «eigen eine Porder- leletungetounre, deren Abfall bei wesentlich kleineren Drucken liegt sie die Kurve von Puapen mit de« bisher für Vakuuaaweoke eueeohlleeiloh benuteten Rotoren· Die genaueren Prüfungen ergaben, de! der frühzeitige Abfall der Ftfrderleistungskurve im wesentlichen duron einen Kttoktraneport von sohon gefördert em ^ auf höheren Druck befindlichen Qeeaengen «wischen den beiden aohtförmigen Rotoren verursacht wird, der bei Verwendung erfindungsgemäBer Rotoren bedeutend geringer let.

Sur Erklärung und Ttranechauliahung der vorliegenden Erfindung ist In

Fig« f eine Beine von verschiedenen bekannten Roots- Qeblttaetypettf die schon eingangs diskutiert wurden ,

Fig. 2 die bisher für Takuunsweoke ausschließlich benutzte und in

91g. 3 dl· hier für Roote~Hoohvakuumpumpen als besonders günstig vorgeeohlagene Form der Rotoren,

VIg. 4 drei Stellungen und in

Pig» 5 fünf eng benachbarte Rotorstellungen für die bisher benutiten Rotorformsn« la

7ig. 6 drei Stellungen und in

Pig. 7 die gleichen Stellungen für die hier vorgeschlagene Hotorfona und in

Pi g θ die Förderkurven von Pumpen mit der bisher benutzten und ffi.it der hler vorgeschlagenen Rotorfono dargestellt.,

bisher benutzte ?orm &9r Hoote»Hoohvakuumpumpeii besteht nach ?igo 2 aus den Pumpengehäuae 1, 1» dem die beiden aohtförmigen Sototen 2 und 3 in Riohtucg der eingetragenen Pfeile 4 und 5 rotieren

und dabei von einem nicht geselohneten Eahnradgetrlsbe t»y nc hr ο notiert werden. See Oaa wird dann in Richtung der beiden Pfeile 6 und 7 Ton der Hoohvaicuuaeeite E? xar Vorvakuui»eeii;e W geförderte Sie aohtf ttatigen Rotoren bilden sus&iBaen mit der Iönenwanä -lea Oehfinaes 1 den ?urderreum 9* dessen Volume» "bei einev Umdrehung ua 1560° viermal ron der HV xum W gefördert wird* Das Voliuaen 9 iet nach eeinee Abeohlufl von der ΕΎ-Seite mit ßae erfüllt,, das unter den HY-Dracfc steht„ Dieeee Volumen wlra auf dl« Vf-Seits gebracht und naoh dem Offnen but W-^eite hin durch einströmendes Oae auf den höheren W~Pruolc gebracht · Während der eigentlichen Förderung findet keine Kompreaeion etatt; die Pörderwig ißt also rein volumtrieobo Bei der Üblichen Benutavuig solcher Gebläse bei Ataoephärendruok ist das VerhSltnie der Drucke zwischen der W- und der EV-Seite der Fuspe^aleo das erzeugte ^1ä£ompresaionsY9r> haltnie" jfTelatiT kleine Se enteprioht bei der Üblichen Verwendung bei höheren Drue ken wutlaal etwa

tlL·

1·3

Bei der Beautsung ale Eoo-hvakuumpympo ist ββ sehi' viel größer imd swar

biß etwa 100 .

fließt alao nur der üOOete Teil άθβ geoaetriachen Volumens 9 von äer YV- »ur SV-Seite ssuzüoki- &o wird die Förderung der

Ir₄ äsn I'igr 4a« l· und ο aind drei Stellungen einer Hoots-Hoohirakuiasipumpe der bisher ausschließlich benutaten Form dargestellt» die el3ie Drehimg von iaagecaat Vi /4 «* 45° wmfassea, Sie zeigen Seutlioh, v±m ssioh dia Rotoren außen in ßiehtung der Gasii*-r^erung bewegen , Ma dort gasseißhneten. Bewagungspf ^iIe 4-* 5 haben dieselbe Sichtuüg wie die tlaeförderui&g, die in Rioiitung der Pfeil© 6_V ? erfolgt ο Aber, etwa im Mittelpuiifet des Puapengehäuses eioh dar wandferae Teil dee Rotors 2 entgegen der Gasför=· , Hier besteht also die große fjefahr einer Gasmitnahme

!}!■ die hier auftretenden Effekte au »eigen, sind In den. figuren 5* a bie · noch drei Zwlscfienetellungen swiachen den Figuren 4a und b geselgt» Dabei wurde nur die Berührungastelle der Roteren darge-•teilt, die aus la gleichen Sinne gekrümmt«n Kurven besteht» Der Winkelunterschied anriechen den Figo 4a und b entspricht " /6 und <Jeage«äß der ^Tinkeluntereohied ewlachen den fünf einzelnen Teil darstellung·** der ?ig* 5 dem eehr kleinen ¥inkel"f/32· Ea ist

Zeit—

fUr daa folgende wichtig, eich des unterschied zwischen den gezeichneten Hotoreteilungen klar bu machen«,

der fehlenden Gleitreibung? äer leicht erreichbaren aüglichen Aiiewuchtungs der gtringen absoluten Druckdifferenz ( fyy ~ J^Hif) sn der Funpe und vor aliens wegen äsr erwünschten großen Förderleiatung laufen die Roota-Huchvakuumpumpen im allgemeinen ait einer Dreheahi von etwa 300Ö ^Ü/Mißo Sine ümörehung erfolgt also in 2 ,. 10 *" ββϋο Und die Zeit, die zwischen ^e z&el der in ?ig„ 5a b.ie β geseichneten Stellungen Tergeht,, beträgt also

3 ο iO^CT* see ο

2 r, 52

yig„ 5 liegt sun eine Roote-HoehTakuurapumpe augruiide, bei der Abstand zwischen den Brehacheea. 4,5 c.m, der größte Durchmesser r fiotor&n 8 om und der !cleinate 2 om beträgt» Der achsenfernste Punkt 10 eines ßotore bewegt eioh bei 3000 O/Min« mit einer Geöohwindigkeit τοη rund 3100 crn/eeo.-. der aoiisennächate Punkt 1 mit rund 600

Dia mit Pfföilan gekmnnselchnetesj Punkt© 13 und 14 haben etwas er® Drehgeschwindigkeit eau öle bewegen sich auf Kreisen um DrehpuaktG ^5 h?.v_c 16 der SotorQ.uer8ehnitte^ Zwischen Ihnen jr, ü&ic BoiWi&le Zwiechenraim 17» der während der Drehung vor. Stelj-ung neoh 5a au der nach 5© Immer länger und immer enger Lid unter dem höheren W-Druek steht» Die hier befindlichen ^rilii isabea während der 2Srehung nicht mehr genügend Zeit_f «ur VT-S^ite lilnausaugölangen_o 25ie Bewegxingsatudie der Punkte 13 (Suzsre 16} und H (Karre 19) ist in FIg, 5f nochmals deutlicher Öargest-el3.iß<· Hier ist deutlich au sehen, wie eich die Kurve 19

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Ohne wesentliche Richtungsänderung der Oberfläche des Rotors 3 «onoton der Karre 18 nähert und in der kurzen dazwischen liegenden Zeit viel· der dort vorhandenen Moleküle zwingt, in den schmalen Spalt 17 hineinzugehen und «it der schnell zum BV bewegten Oberfläche dee Rotors 2 aitsugehen. Die Im Spalt 17 vorhandenen Moleküle gelangen oleo stt einem wesentlichen, vielleicht sogar XiUB gröiten feil auf die HV~Seite_s auf der ein um Größenordnungen geringerer Druok herrscht und daher ein nur kleinea Volumen, da· unter YY- oder höherem Druck atent und auf die HV- £eite gelangtκ die Puepwirkung in Frage stellen kann.

Durch Absaugen dieser auf die HV-Seite saitgeriasenen Moleküle durch besondere, etwa beil» Punkt 10 befindliche öffnungen hindurch kann awar su einem gewiesen Grade Abhilfe geschaffen werden, aber dieser Weg iet fertigungstechnisch sehr aufwendige

Der Aufbau einer Boote ^Vakuumpumpe niit erf indungsgemäisex; Rotoren iet in den Fig., 6&_v t» und ο iß drei verschiedenen Stellungen gezeichnet,- Ia Gehäuse 1 rotieren äie "beiden .Rotoren 50 und j5 ■ im Sinne der Pfeile 4 un<3 5> See Pb'rdervolumen 32 ist etwas kl einer_r wae atfar entepreohenä der späteren Darstellung keinen wesentlichen Machteil bedeutet« Biese Stellungen_p die in den Pigc 6a bis c dargestellt sind» entsprechen denen der Figo 4a bia c mit einem Brehwinkel von insgesamt " /4»

'Die ilg. ?a bis e entepreohen ebenso den Figuren 5a bis e; dia Seit zwischen den dargestellten Rotoretellungen ist wiederum {,-*--3 - 10" aec.

Aus dießea Eeiohnun^an ist klar ersichtlioh_¥ daß der Ppalt 59 auf der VV-Seite in ksinea Falle so schmal wird_p wie der lange_P sohmale» ^ich achl^eßende Spalt 1? in den Pig, 5a bie c- Sr ist immer mit flcffi VT-Raum verbuniSen und erlaubt so das Eückd if fund leren der im SpaV; 39 befindlichen SaemolekUle₉ ohne daß sie durch ein sehr S-: hnellös 2us^aaüianklappen sur ΠΥ-Seite mitgerissen werden„

De $ :^!st mxT a&üiuccih. misglic3a_s daß die gegenüberliegenden Oberflächen töi^e c?.er Drehkolben iceine gleichgerichtete Krümmung besitzen» 'Ui ι·.'ϋ ÄrJcenntnie ist das weBer*' '■ ' .aste Ergebnis der vorliegenden

Di« erflndungftgeaäBe Rotorform alt zwei zueinander parallelen OberfläohenetUoken hat außerdem den Vorteil aehr einfacher Herstellung» Die ebenen Pl&ohenstUeke werden in bekannter Velse parallel gehobelt, gefräst oder geschliffen; ihre Her-•teilung bereitet keinerlei Schwierigkeiten» !Die konkav gekrümmten Oberfläohenteile rollen und gleiten während des Betriebes auf sine® ebenen PläohenatUok dee anderen Botors. Eine entsprechende Überlegung »«igt9 daß sie eich mit Hilfe einer ebenen Schleifscheibe und einer einfachen Kinematik herstellen laeaen«, Der Vorteil in der Herstellimgwelie bedeutet aber nicht nur eine wesentliche Verbilligung, eonderxjBUoh, daß die Rotoren sich ohne größeren Aufwand eehr genau herstellen lassen« Das hat zur Folge _v daß in der fertigen Punpe die laser notwendigen Spalte zwischen den rotierenden bzw. feeten Teilen viel enger sein Können und damit die Pörderleistungekurre . .. günstiger eis bei

den bisher für Vakuumzwecke ausschließlich benutzten Rotorformen (Pigο 2) ist.

Es wurde oben darauf hingewiesen? daß die erfindungsgeniäßen Rotoren nach den Fig» 6a bis c ein geringeres Pördervolumen 32 ergeben als die bisher benutzten nach Pig» 4a bis C₀ Das spielt aber insofern nur eine untei»geordnete Rolle« weil dieser Verlust duroh eine entsprechende Erhöhung der Drehzahl oder eine geringfügige Vergrößerung der PumpenmaBe wieder ausgeglichen werden kann. Penn für das Arbeiten der Pumpe und ihre Erwärmung ist nicht das einzelne Pördervolumen sondezndle Gesamtförderleistung maßgebende Die vom Motor an die Pumpe abgegebene Leistung wird faat ganz in Wärme umgesetzte Das bedeutet, daß für eine Förderleistung τοη a ^m^/h eine leistung von b kW nötig ist, die aber nicht von der Umdrehungezahl oder den Pumpenmaßen abhängig 1st» Dieses kleinere Pördervolumen 32 war auch der Grund dafür_β daß bisher an der Hotorform nach Pigο 2 festgehalten wurdeο Der scheinbare Vorteil iat für den Betrachter der beiden Botorformen (Figo 2 und Pig. 3) sehr augenfällig. Und da bei Vakuumpumpen eine nOgllohet große volumetrische Pörder« leistung gewünscht wird» scheint die erfindungsgemäße Rotorform (Figo 3) einen wesentlichen Jacht eil au besitzen«, Die Erprobung hat aber Im vorstehend beschriebenen Sinne für die erfindungsgemäße Rotorfons (Fig· 3) entschieden, insbesondere in dem Fall, wenn die

Roote-Vakuumpumpe ein möglichst gutes Hochvakuum erzeugen, solle

In Pig» 8 alnd PörderleistungskurYen für eine Pumpe mit den bisher allein üblichen achtarmigen Rotoren (Kurve 50) uhü fur eine Pump« mit erfinduhgsgem&Ben Rotoren (Kurve 51) gezeichnet „ Beide Pumpen haben gleiche Drehzahl: gleiches Fb'räervolumen und praktisch das gleiche Spiel swiechen Rotoren und Gehäuse «Die hei t?e±öen Pumpen benutzte Vorpumpe hat eine rein geometrisch sshnfaob. kleinere Förderleistungο

Ml· gemessene Saugleistung S in willkürlichen Einheiten (V iet vom AnsaugdrueIc fn V abhängig. Bis herab au etwa 5 ο 10"** Torr iet die Saugleistung beider Pumpen fast genau gleich, unterhalb

g
von 5 ο 10 Torr sinkt die Kurve 50 der herkömmlichen Pumpen sehr schnell abe Das Endvakuum ist dabei etwas besser eis 10

Bei der erfindungsgem&ßen Rootspumpe steigt die Saugleistung (Kurre 51) auch unterhalb von 5 * 10 Torr noch -weiter an, eo daß hier das Kompresaionaverhältnis eehr groß wird_e Der Abfall findet erst wesentlich später statt,und dae erzielte Enävakuum 1st um mehr als eine Zehnerpotens beeaer«, TTm diesen Faktor steigt das praktisch im Realpienten erreichbare Vakuum_f wobei der größere Wert der Saugleistung einen wichtigen Sicherheitsfaktor fur die Erreichung des erwähnten Vakuums darstellt. Die Pumpe mit erfindungagemäßen Rotoren erreicht aleo nicht nur ein besseres Vakuum, sie erreicht es auch mit größerer Gewißheit, die von Gasausbrüchen im Realpienten kaum vermindert wird·

Die Kurven sind bei einem geometrisohen Förderverhältnis von ?0si zwischen der Roots- und der Vorpumpe gewonnen worden» Es iet bekanntt daß die Saugleistungskurven stark von diesem Förderver» hältnie abhängen. Die erfindungsgemäöe Sootspumpe (Kurve 51) besitzt ein größeres Kompressionsverhältnis, die Auswahl der Vorpumpe ist also weniger kritisch. Die Vorpumpe kann ohne wesentliche Beeinflussung der Saugleistungskurve auch kleiner gewählt werden» Das gibt wiederum zu einer Kostenersparnis Anlaß«,

Die vorstehend ausführlich dargestellten Vorgänge beim Pumpvo.egang ergaben« daß die geringere Rückforderung durch die stets sum W hin weit offenen Spalte zwischen den Rotoroberflächen hervorgerufen wird ο Solche gtinetigen Spalte haben aber nicht nur üi·? Rotoren mit teilweise ebener Oberfläche. Dasselbe ist auch der Fall "bei Ovalrotoren (ZoB. Pig. 1c). Beöingung ist nur_p äai? die beiden Rotoren keine gleichgerichtete Krümmung (sh, Pig„ μ μτ··ϊ -··) aufweisen oder, mit anderen Worten₉ an keiner Stelle der Oberfläche eine Einbuchtung mit negativem Krümmungsradius

- 10 -

Claims (1)

1. - 10 -Patentanspruch

   Keohanisoh· Vakuumpumpe dee Root8-Gebläsetype für die

   Verwendung mit einer naohgeschaltβten Vorvakuumpumpe

   im Druckbereich unter 20 Torr, insbesondere sur Erzeugung von Hochvakuum, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitts fläohe der Rotoren von awei aueinander parallelen Strecken und von Bwei, diese Streoken verbindenden konvexen Kurvenstucken begrenat lato