DE19522557A1 - Drehkolbenverdichter, insbesondere Vakuumpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenverdichter, insbesonde­ re eine Schraubenspindel-Vakuumpumpe, mit einem einen Schöpf­ raum bildenden Gehäuse und wenigstens einen fliegend drucksei­ tig an einem stationären Lagerkörper gelagerten Rotor, wobei der Lagerkörper in einen nur einseitig offenen Rotorhohlraum hineinragt.

Bei einer bekannten Vakuumpumpe dieser Art (EP-A 472933) sind die Rotoren gasgelagert, wobei das zu Lagerzwecken zugeführte Gas zwischen den einander gegenüberstehenden Umfangsflächen des Rotors und des Lagerkörpers einen überatmosphärischen Druck aufweisen kann. Das Fördermedium sowie etwa darin enthaltene Begleitstoffe werden dadurch gehindert, in den Lager- und Antriebsbereich einzudringen. Ob dies auch dann gilt, wenn ein Flüssigkeitsschwall in den Schöpfraum ein­ dringt, erscheint unsicher. Jedenfalls ist diese Form der Abdichtung dann ungeeignet, wenn dem Lagerbereich zwischen Rotor und Lagerkörper kein oder nur ein geringer Gasstrom zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für diese Fälle eine wirksame Abdichtung zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die einander mit geringem Spiel gegenüberstehenden Umfangsflächen des La­ gerkörpers und des Rotors als zusammenwirkende Förderorgane mit aus dem Rotorhohlraum hinausführender Förderrichtung aus­ gebildet sind. Dadurch werden Fremdstoffe, insbesondere auch spezifisch schwerere Stoffe als das Fördermedium, bei Zufuhr von Sperrmedium auch das Fördermedium selbst, gehindert, entgegen der Förderrichtung in den Rotorhohlraum einzudringen und in den Lager- und Antriebsbereich vorzudringen. Diese Wirkung wird durch die Schwerkraft unterstützt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform geschieht die Aus­ führung der zusammenwirkenden Flächen als Förderorgane da­ durch, daß wenigstens eine von ihnen mit einem Fördergewinde versehen ist. Es können auch beide mit Fördergewinde versehen werden. Die Richtung des Gewindes bzw. der Gewinde wird so gewählt, daß sich die gewünschte Förderrichtung ergibt. Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung verlaufen die einander gegenüberstehenden Umfangsflächen des Rotors und des Lagerkörpers konisch mit einem in Förderrichtung sich vergrö­ ßernden Durchmesser, so daß die Zentrifugalkraft etwa eindrin­ gende Stoffe in der Richtung des sich vergrößernden Durchmes­ sers, also zum Schöpfraum hin, zurücktreibt. Es können auch mehrere derartige Fördermittel (z. B. Fördergewinde und Kon­ izität) miteinander kombiniert werden.

Diese Wirkung wird durch die Verbindung des Rotorhohlraums mit einer Spül- oder Sperrgasquelle gesteigert. Dank der Förder­ wirkung braucht diese Quelle nicht unter Überdruck zu stehen; jedoch ist dies nicht ausgeschlossen. Das Gas kann auch Kühlzwecken dienen.

Eine besonders wichtige Konsequenz der Erfindung ist die Sicherheit gegen das Eindringen von Flüssigkeit in den Lager- und Antriebsbereich. Dadurch wird die Pumpe nicht nur hin­ sichtlich der Abdichtwirkung unempfindlich gegenüber Flüssig­ keitsschwall, sondern sie kann auch gezielt gespült werden insbesondere zur Reinigung. Zu diesem Zweck können besondere Einrichtungen zum Einlaß einer Waschflüssigkeit vorgesehen sein, die beispielsweise dazu dient, auf den Rotor- oder Gehäuseoberflächen abgesetzte Verunreinigungen zu lösen und auszuschwemmen. Falls die Betriebsdrehzahl währenddessen nicht gehalten werden kann, sollten die Rotoren mit angemessen verminderter Geschwindigkeit angetrieben werden. Dafür können entsprechende Steuerungs- oder Regeleinrichtungen vorgesehen sein. Besonders einfach und vorteilhaft ist es, die Drehzahl drehmomentabhängig zu regeln, weil sich dann die Drehzahlver­ minderung von selbst ergibt. Die Drehzahlabsenkung kann gering sein, wenn lediglich in den Gasförderstrom relativ geringe Mengen von Flüssigkeit eingesprüht werden. Je größer der Flüs­ sigkeitsanteil an der Füllung der Förderräume ist, um so nie­ driger wird bei drehmomentabhängigem Antrieb die Drehzahl sein. Es kann sogar vollständige Flutung des Schöpfraums vor­ gesehen werden, solange die dann mögliche, geringe Drehzahl und die dabei im Zwischenraum zwischen Rotor und Lagerkörper noch vorhandene Förderwirkung in Verbindung mit der geodäti­ schen Höhe des Lagerkörpers innerhalb des Rotors dazu aus­ reicht, den Übertritt der Spülflüssigkeit in den Lagerbereich zu verhindern.

Durch die Erfindung kann Sicherheit gegen den Durchtritt von Flüssigkeit sowohl im Betriebszustand als auch im Ruhezustand erreicht werden. In beiden Zuständen wirken die Schwerkraft und die Druckdifferenz, im Betriebszustand zusätzlich die Förderorgane.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die in einem vertikalen Längsschnitt durch eine Vakuumpumpe ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

Auf dem Fußteil 1 ruht das Motorgehäuse 2, das oben mit der flanschartigen Grundplatte 3 ggf. einstückig verbunden ist, auf der das Schöpfraumgehäuse 4 aufgebaut ist. Dieses wird oben durch einen Deckel 5 abgeschlossen, der eine Saugöffnung 6 enthält.

An der Grundplatte 3 sind in später zu erläuternder Weise die Flanschplatten 50 der Lagerkörper 7 befestigt, die je zur La­ gerung eines Rotors 8 dienen, dessen Umfang vorzugsweise zweigängig schraubenförmig angeordnete Verdrängervorsprünge 9 trägt, die in der Art eines Zahneingriffs in die Förderhohl­ räume 10 zwischen den Verdrängervorsprüngen 9 des benachbarten Rotors eingreifen. Außerdem wirken die Verdrängervorsprünge 9 am Umfang mit der Innenfläche des Schöpfraumgehäuseteils 4 zusammen. Die Rotoren 8 stehen oben mit dem Saugraum 11 und unten mit dem Druckraum 12 in Verbindung.

Der Druckraum 12 steht in Verbindung mit einem nicht gezeigten Druckauslaß. Diese Teile sind am unteren Ende des vertikal aufgestellten Schöpfraumgehäuses vorgesehen.

Jeder Rotor 8 ist drehfest mit einer Welle 20 verbunden, die unten im Lagerkörper 7 durch ein dauergeschmiertes Wälzlager 21 gelagert ist. Ein zweites, gleichfalls dauergeschmiertes Wälzlager 22 befindet sich am oberen Ende eines rohrförmigen Teils 23 des Lagerkörpers 7, der in eine nach unten, also druckseitig, offene, konzentrische Bohrung 24 des Rotors 8 hineinragt. Dieses Lager 22 befindet sich vorzugsweise ober­ halb der Mitte des Rotors 8. Der rohrförmige Teil 23 des Lagerkörpers erstreckt sich vorzugsweise durch den größeren Teil der Länge des Rotors 8. Das Ende des rohrförmigen Teils 23 liegt bei vertikaler Anordnung der Pumpe wesentlich höher als der Druckauslaß 17. Dies ist hilfreich für den Schutz der Lager- und Antriebsregion vor dem Eindringen von Flüssigkeit oder anderen schweren Verunreinigungen vom Schöpfraum her.

Im rohrförmigen Teil 23 des Lagerkörpers sind Kühlkanäle 25 vorgesehen, die über Kanäle 26 mit einer Kühlwasserquelle und über entsprechende Kanäle, die in der Zeichnung nicht erschei­ nen, mit einem Kühlwasserabfluß in Verbindung stehen. Die Kühlkanäle 25 sind vorzugsweise durch schraubenförmige Eindre­ hungen gebildet, die durch eine Hülse dicht abgedeckt sind. Die Kühlung der Rotorlager verlängert die Lebensdauer bzw. die Wartungsintervalle dieser Lager, wenn sie mit Fett dauerge­ schmiert sind. Ferner wird durch die Kühlung auch die Um­ fangsfläche des rohrförmigen Teils 23 des Lagerkörpers auf niedriger Temperatur gehalten. Diese Umfangsfläche steht der inneren Umfangsfläche des Hohlraums 24 des Rotors mit geringem Abstand gegenüber. Diese Flächen sind so ausgebildet, daß sie zu gutem Wärmeaustausch fähig sind und somit Wärme aus dem Rotor mittelbar über den rohrförmigen Teil 23 des Lagerkörpers und dessen Kühleinrichtungen 25 abgeführt werden kann. Zur Verbesserung des Wärmeaustauschs zwischen den einander gegen­ überstehenden Flächen des rohrförmigen Teils 23 des Lagerkör­ pers und des Rotorhohlraums 24 können diese in geeigneter Weise ausgebildet sein. Beispielsweise können sie so behandelt bzw. brüniert sein, daß der Strahlungsaustausch durch hohe Ab­ sorptionskoeffizienten begünstigt wird. Der konvektive Wärme­ austausch vermittelst der dazwischen befindlichen Gasschicht kann durch geringen Oberflächenabstand und geeignete Oberflä­ chenstruktur, die zur Erhöhung der Wärmeübergangszahl führt, verbessert werden. Eine Fläche oder beide können zu diesem Zweck rauh oder mit Wärmeaustauschrippen oder Gewinde oder dergleichen ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dem Rotor­ hohlraum 24 durch den Lagerkörper oder die Welle 20 ein Sperr­ gas zuzuführen, das mit dem Fördermedium vom Druckraum 12 abgeführt wird. Es kann neben der Absperrung der Lagerregion auch der zusätzlichen Kühlung des Lagers, des Lagerkörpers und des Rotors dienen, wobei es aber zweckmäßigerweise nicht durch das bzw. die Lager geführt wird, um diese nicht zu verschmut­ zen, sondern über einen eine Umgehung bildenden Kanal 28.

Zum Schutz des Lager- und Antriebsbereichs vor vom Schöpfraum her eindringenden Einflüssen sind geeignete Dicht- und/oder Sperreinrichtungen vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist die Ausrüstung der einander gegenüberstehenden Flächen des Lager­ körpers 23 und der Innenflächen des Rotorhohlraums 24 auf einer Seite oder auf beiden Seiten mit einem nicht dargestell­ ten Fördergewinde, das einen Fördereffekt vom Rotorhohlraum 24 zum Druckraum 12 hin ausübt. Dieser Fördereffekt wirkt sich wegen deren höherer Dichte vornehmlich auf feste oder flüssige Teilchen aus und verhindert dadurch deren Eindringen in den Lager- und Antriebsbereich. Das Fördergewinde wird zweckmäßi­ gerweise so ausgebildet, daß dieser Effekt auch bei erheblich abgesenkter Drehzahl noch wirksam ist.

Der Fördereffekt kann auch dadurch herbeigeführt werden, daß der Spalt zwischen Rotor und Lagerkörper sich konisch zum Druckraum hin erweitert. Die Spaltweite (Abstand der Oberflä­ che des Lagerkörpers von der Oberfläche des Rotors) bleibt dabei im wesentlichen konstant. Zusätzlich können auch in diesem Falle die einander gegenüberstehenden Flächen auf einer Seite oder auf beiden Seiten mit Fördergewinde versehen sein; erforderlich ist dies aber nicht.

Da die Ausrüstung des Spalts zwischen Rotor und Lagerkörper mit einem Fördergewinde oder einer fördernd wirkenden Ko­ nizität sehr wirksam gegen das Eindringen von Flüssigkeit oder Feststoffteilchen abdichtet, kann oft auf zusätzliche Dicht­ einrichtungen verzichtet werden; jedoch können sie vorgesehen sein, und zwar vorzugsweise in berührungsfreier oder berüh­ rungsarmer Bauart, z. B. Labyrinthdichtungen oder kolbenringar­ tige Dichtungen.

Aufgrund der Dichtwirkung des Fördergewindes bzw. der Spalt­ konizität ist die erfindungsgemäße Pumpe unempfindlich gegen das Vorhandensein von Flüssigkeit im Schöpfraum, solange sich die Rotoren in Drehung befinden. Diese Unempfindlichkeit besteht auch im stationären Zustand dank der hohen Lageranordnung im Rotor, solange die Flüssigkeit im Schöpfraum das Lagerniveau nicht erreicht. Sie ist nicht nur dann wich­ tig, wenn das Fördermedium einen Flüssigkeitsschwall mit sich führt, sondern kann auch für die Reinigung und/oder Kühlung der Pumpe durch Flüssigkeitseinspritzung genutzt werden. Beispielsweise kann durch Düsen, von denen eine bei 27 ange­ deutet ist, Reinigungs- oder Kühlflüssigkeit eingesprüht werden. Es können dieselben oder gesonderte Düsen 27 zum Einsprühen der Reinigungsflüssigkeit und der Kühlflüssigkeit verwendet werden.

Wenn mit sehr starker Verschmutzung gerechnet werden muß, besteht die Möglichkeit, während des Betriebs ständig Reini­ gungsflüssigkeit einzusprühen. Beim Betrieb einer Vakuumpumpe sollte die Reinigungsflüssigkeit, soweit sie in den Saugraum gelangen kann, einen Dampfdruck unterhalb des Ansaugdrucks haben. Wenn die Pumpe mehrstufig ist und die Verschmutzung sich (beispielsweise druckabhängig) hauptsächlich in der zweiten und/oder folgenden Stufen niederschlägt, besteht die Möglichkeit, die Einspritzung der Reinigungsflüssigkeit auf die zweite bzw. folgende Stufe zu begrenzen und dadurch von der Saugseite zu trennen.

In den meisten Fällen erfolgt der Reinigungsbetrieb jedoch nicht ständig, sondern periodisch wenn Reinigungsbedarf (beispielsweise infolge Anstiegs des Antriebsdrehmoments) festgestellt wird. Dank der Unempfindlichkeit der Pumpe gegenüber Flüssigkeiten können dann auch verhältnismäßig große Flüssigkeitsmengen verwendet werden. Wenn aufgrund der Menge oder Art der verwendeten Reinigungsflüssigkeit die Betriebs­ drehzahl nicht gehalten werden kann, kann die Drehzahl ent­ sprechend gesenkt werden. Dafür sind geeignete Steuerungsein­ richtungen vorgesehen. Beispielsweise kann die Drehzahl abhängig vom Antriebsdrehmoment gesteuert werden, was bei erhöhtem Leistungsbedarf selbsttätig zu einer entsprechenden Absenkung der Drehzahl gegenüber der Betriebsdrehzahl führt. Die fortdauernde Drehung der Rotoren auch während der Reinigungsphase dient nicht nur der Abdichtung der Rotorlage­ rung, sondern fördert auch die Einwirkung der Reinigungsflüs­ sigkeit auf die verschmutzten Oberflächen.

Die Förderwirkung im Spalt zwischen Rotor und Lagerkörper kann auch zur Förderung von Sperrgas unabhängig von einer externen Druckgasquelle genutzt werden. Im allgemeinen wird man aber zur Förderung des Sperrgases die Wirkung einer solchen Druck­ gasquelle bevorzugen, um in der Sperrgaszufuhr unabhängig von der Rotordrehzahl zu sein.

Bei den Wälzlagern 21, 22 handelt es sich im dargestellten Beispiel um Schrägkugellager, die durch eine Feder 29 gegen­ einander angestellt sind. Jede Welle 20 trägt unterhalb des Lagers 21 vorzugsweise unmittelbar, d. h. ohne zwischenge­ schaltete Kupplung, den Läufer 35 des Antriebsmotors, dessen Stator 36 in dem Motorgehäuse 2 angeordnet ist. Das Motorge­ häuse kann mit Kühlkanälen 38 ausgerüstet sein.

Die Flanschplatten 50, die in dem dargestellten Beispiel mit den Lagerkörpern 7 aus einem Stück bestehen, sind mit ihren Außenrändern 51, die im wesentlichen dem Umfang des Schöpf­ raumgehäuses 4 folgen, und ihren aneinanderliegenden Innenrän­ dern 52 auf die Oberseite der Grundplatte 3 aufgesetzt. Die Flanschplatten 50 sind gegenüber der Grundplatte 3 gedichtet. Auch die im Radialschnitt einer Sekante folgenden Stirnflächen 53, an denen sie aneinander anliegen, sind mit einer Dich­ tungseinlage ausgerüstet.

Die Leistungsdaten der Pumpe werden außer durch die Antriebs­ leistung und Drehzahl durch das an den Rotoren gebildete Ver­ dränger- bzw. Fördervolumen und somit durch die Länge der Rotoren bestimmt. Man kann daher die Förderdaten dadurch verändern, daß man die Länge des die Rotoren enthaltenden Pumpenteils ändert. Eine Baureihe von Pumpen mit unterschied­ lichen Leistungsdaten zeichnet sich deshalb vorzugsweise da­ durch aus, daß die einzelnen Pumpen dieser Baureihe sich durch Abstufung der Länge dieser Teile unterscheiden, zu denen das Schöpfraumgehäuse, die Rotoren sowie ggf. die rohrförmigen, in die Rotoren hineinragenden Teile der Lagerkörper gehören.

Man erkennt, daß jeder Rotor mit den zugehörigen Lager- und Antriebseinrichtungen eine selbständig montierbare Baueinheit bildet, die neben dem Rotor aus den Lagern 21, 22, dem Lager­ körper 7, dem darin vorgesehenen Kühleinrichtungen, der Welle 20, dem Synchronisationszahnrad 40, dem zugehörigen Sensor 42 und dem Motorläufer 35 besteht. Diese Einheiten werden kom­ plett vormontiert in die Pumpe eingesetzt. Sie können nach der Abnahme des Schöpfraumgehäuses leicht von der Grundplatte 3 abgenommen bzw. eingesetzt werden. Ihre Auswechslung kann daher dem Anwender überlassen bleiben, während der Hersteller die Wartung der empfindlichen Einheiten als solchen besorgt.

Claims (9)

1. Drehkolbenverdichter, insbesondere Schraubenspindel-Vaku­ umpumpe, mit einem einen Schöpfraum bildenden Gehäuse (4), und wenigstens einem fliegend druckseitig an einem statio­ nären Lagerkörper (7) gelagerten Rotor (8), wobei der Lagerkörper (7) mit einem rohrförmigen Teil (23) in einen nur einseitig offenen Rotorhohlraum (24) hineinragt, da­ durch gekennzeichnet, daß die einander mit geringem Spiel gegenüberstehenden Umfangsflächen des Rotors (8) und des Lagerkörpers (7, 23) als berührungsfrei zusammenwirkende Förderorgane mit aus dem Rotorhohlraum (24) hinausfüh­ render Förderrichtung ausgebildet sind.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen vertikal mit geodätisch tief gelegener Auslaßöffnung angeordnet ist.

3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden einander gegenüberstehenden Umfangsflächen mit einem Fördergewinde (28) versehen ist.

4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberstehenden Umfangsflächen konisch mit einem in Förderrichtung sich vergrößernden Durchmesser ausgebildet sind.

5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rotorhohlraum (24) mit einer Sperr­ gasquelle verbunden ist.

6. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrgas dem Rotorhohlraum unter Umgehung der Rotorla­ ger zuführbar ist.

7. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Einrichtungen zum drehmomentabhängigen Steuern/Regeln des Rotorantriebs vorgesehen sind.

8. Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtung (27) zum Einlaß einer Waschflüssigkeit in den Schöpfraum vorgesehen sind.

9. Verfahren zum Reinigen eines Verdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Waschflüs­ sigkeit in den Schöpfraum gegeben und die Rotoren dreh­ momentabhängig angetrieben werden.