DE19745615A1 - Schraubenvakuumpumpe mit Rotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenvakuumpumpe mit Rotoren.

Die Herstellung von Schraubenvakuumpumpen ist zum einen wegen der besonderen Form der Rotoren und auch des Ge­ häuses relativ teuer; zum anderen müssen Gehäuse und Ro­ toren relativ genau hergestellt werden, um unerwünscht große Abstände zwischen den Rotoren selbst und zwischen den Rotoren und dem Gehäuse zu vermeiden. Zu große Spalte verschlechtern wegen der in den Spalten auftre­ tenden Rückströmungen die Pumpeigenschaften.

Bei einer bereits vorgeschlagenen Schraubenvakuumpumpe der eingangs erwähnten Art ist jeder der Rotoren ein­ stückig ausgebildet und weist zwei Abschnitte mit unter­ schiedlichen Rotorprofilen auf. Bei der üblichen spanab­ hebenden Herstellung von Schraubenrotoren dieser Art ist es notwendig, zwischen den Abschnitten mit unter­ schiedllichen Profilen jeweils einen relativ großvolumi­ gen Werkzeugauslauf vorzusehen. Toträume dieser Art be­ einträchtigen nicht nur die Eigenschaften der Pumpe; sie stehen auch dem Ziel entgegen, möglichst kompakte Pumpen zu bauen. Bei bestimmten Applikationen kann es zwar zweckmäßig sein, in Höhe eines Wechsels des Gewindepro­ fils eine umlaufende Nut zum Zwecke einer Druckent­ lastung vorzusehen; diese Nut muß aber in aller Regel nicht die Größe eines großvolumigen Werkzeugauslaufs ha­ ben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubenvakuumpumpe der eingangs erwähnten Art ko­ stengünstiger als bisher herstellen zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß jeder der Rotoren der Schraubenvakuumpumpe aus mindestens zwei separat hergestellten, form- oder kraftschlüssig zusam­ mengefügten Rotorabschnitten besteht. Der wesentliche mit der Erfindung verbundene Vorteil liegt darin, daß die Rotorabschnitte aus unterschiedlichen Werkstoffen und/oder mit unterschiedlichen Genauigkeiten hergestellt werden können, um sie an physikalische Not­ wendigkeiten im betroffenen Schöpfraumbereich (Wärmeleitung, Wärmeausdehnung, Korrosionsbeständigkeit, Gewicht, Massenverteilung usw.) anpassen zu können. Bei­ spielsweise kann der saugseitige, thermisch weniger be­ anspruchte Abschnitt des Rotors aus Aluminium, der druckseitige, thermisch höher beanspruchte Abschnitt aus Stahl hergestellt sein. Insbesondere können die Genauig­ keitsanforderungen des Schraubenprofils der beiden Ab­ schnitte den erforderlichen Dichtwirkungen angepaßt werden. Im saugseitigen Bereich haben Rückströmungen nur wenig Einfluß auf das effektive Saugvermögen der Pumpe. Das in diesem Bereich befindliche Schraubenprofil kann deshalb mit wesentlich größeren Toleranzen, das heißt preiswerter, hergestellt werden. Nur im druckseitigen Bereich sind höhere Genauigkeitsanforderungen erforder­ lich. Rotorabschnitte mit unterschiedlichen Profilen können derart zusammengefügt werden, daß die unter­ schiedlichen Schraubenprofile unmittelbar ineinander übergehen. Schädliche Toträume sind nicht mehr vorhan­ den. Eine geringere Baulänge bzw. -höhe kann realisiert werden.

Eine Auswahl preiswerterer Werkstoffe für die Bauteile der Pumpe ist auch dann möglich, wenn die Pumpe mit ei­ ner Kühlung ausgerüstet ist, die gleichzeitig eine gleichmäßige Temperierung bewirkt. Wärmedehnungsprobleme können dadurch einfacher beherrscht werden. Schließlich ermöglicht es die Erfindung, bei einer Schraubenvakuum­ pumpe das Baukastenprinzip anzuwenden, um sie applikati­ onsspezifisch anpassen zu können. Über das Volumen, die Steigung und/oder die Länge der Profile auf der Saug­ seite kann auf das Saugvermögen bzw. auf den Enddruck Einfluß genommen werden. Mit einer kleinen Abstufung kann eine höhere Fluidverträglichkeit, mit einer größe­ ren Stufung eine geringere Leistungsaufnahme bzw. ein höheres Saugvermögen bei relativ geringer Leistungsauf­ nahme erreicht werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbei­ spieles erläutert werden. Sie zeigt einen Schnitt durch eine Schraubenvakuumpumpe 1 nach der Erfindung, und zwar in Höhe desjenigen der beiden rotierenden Systeme, das mit dem Antriebsmotor 2 ausgerüstet ist. Die Synchroni­ sation der beiden rotierenden Systeme erfolgt mit Hilfe von Zahnrädern 3.

Die rotierenden Systeme, die im Gehäuse 4 untergebracht sind, umfassen jeweils den Rotor 5 und die Welle 6. Je­ der Rotor 5 ist fliegend, das heißt, einseitig gela­ gert. Die Welle 6 stützt sich über die Lager 7 und 8 so­ wie die Lagerträger 11 und 12 im Gehäuse 4 ab. Stirnsei­ tig sind Gehäusedeckel 13, 14 vorgesehen, von denen der rotorseitige Deckel 13 mit einem Einlaßstutzen 15 aus­ gerüstet ist. Bestandteil des getriebeseitigen Deckels 14 ist der Lagerträger 12.

Der Rotor 5 besteht aus zwei formschlüssig miteinander verbundenen Rotorabschnitten 17, 18 mit unterschiedli­ chen Profilen 19, 20. Der saugseitige Rotorabschnitt 17 weist ein großvolumiges Profil 19 zur Erzielung hoher Volumenströme im wendelförmigen Schöpfraum auf. Der druckseitige Abschnitt 18 des Rotors 5 hat sowohl ein reduziertes Profilvolumen als auch einen geringeren Durchmesser. Dadurch nimmt der Querschnitt der wendel­ förmigen Schöpfräume ab. Eine innere Kompression wird erreicht, die Verdichtungsarbeit reduziert.

Die Innenwandung des Gehäuses 4 ist der Rotorabstufung angepaßt (Abstufung 21). Durch eine strichpunktierte Linie 22 ist angedeutet, daß das Gehäuse in Höhe der Abstufung 21 teilbar ausgebildet sein kann. Dadurch ist es möglich, den saugseitigen Rotorabschnitt 17 und den saugseitigen Teil 4' des Gehäuses 4 durch Rotorab­ schnitte mit anderen Profilen, Längen und/oder Durchmes­ sern sowie daran angepaßte Gehäuseabschnitte 4' zu er­ setzen, um die Pumpe an unterschiedliche Applikationen anpassen zu können.

Der sich an das druckseitige Ende der Gewindegänge an­ schließende Auslaß der Pumpe 1 ist mit 24 bezeichnet. Er ist seitlich herausgeführt. In den Auslaß mündet außerdem eine Gehäusebohrung 25, die den Schöpfraum in der Höhe, in der sein Querschnitt - sei es durch Stufung und/oder durch Wechsel des Gewindeprofiles - abnimmt, mit dem Auslaß verbindet. In der Gehäusebohrung 25 be­ findet sich ein Rückschlagventil 26, das bei Überdrücken im Schöpfraum öffnet und den saugseitigen Gewindegang des Rotorabschnittes 17 mit dem Auslaß 24 kurzschließt. Zur Abdichtung der wendelförmigen Schöpfräume von der Lagerung sind Wellendichtungen 27 vorgesehen, die sich zwischen dem Lager 7 und dem Rotorabschnitt 18 befinden.

Das Kühlsystem der dargestellten Ausführungsform umfaßt eine Rotorinnenkühlung und eine Gehäusemantelkühlung.

Zur Verwirklichung der Rotorinnenkühlung ist der Rotor 5 mit einem zu seiner Lagerseite hin offenen Hohlraum 31 ausgerüstet, der sich nahezu durch den gesamten Rotor 5 erstrecken kann. Bei einem aus zwei Abschnitten 17 und 18 bestehenden Rotor 5 ist zweckmäßig der druckseitige Abschnitt 18 hohl ausgebildet. Der saugseitige Abschnitt 17 verschließt das saugseitige Ende des Hohlraumes 31. Die Welle 6, die zweckmäßig mit dem Rotor 5 bzw. mit dem druckseitigen Abschnitt 18 des Rotors 5 einstückig aus­ gebildet ist, ist ebenfalls hohl (Hohlraum 32). In den Hohlräumen 31, 32 befindet sich ein zentrales Kühlrohr 33, das lagerseitig aus der Welle 6 herausgeführt ist und rotorseitig kurz vor dem saugseitigen Ende des Hohl­ raumes 31 mündet. Das Kühlrohr 33 und der vom Kühlrohr 33 und der Hohlwelle 6 gebildete Ringraum stehen für die Zu- bzw. Abführung eines Kühlmittels zur Verfügung.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel steht die lager­ seitige Öffnung 34 des Kühlrohres 3 über die Leitung 35 mit dem Auslaß einer Kühlmittelpumpe 36 in Verbindung. Außerdem befindet sich im Bereich des Gehäusedeckels 14 ein Kühlmittelsumpf 37, der über das Leitungssystem 38 mit dem Einlaß der Kühlmittelpumpe 36 verbunden ist. Der Sumpf 37 und das Leitungssystem 38 sind derart aus­ gebildet, daß die dargestellte Pumpe 1 in jeder Lage zwischen vertikal und horizontal betrieben werden kann. Kühlmittelstände, die sich bei horizontaler und bei ver­ tikaler Lage der Pumpe 1 einstellen, sind dargestellt. Je nach dem, ob sich die Kühlmittelpumpe 36 außerhalb (wie dargestellt) oder innerhalb (z. B. auf der zweiten, nicht sichtbaren Welle der Pumpe 1 in Höhe des Antriebs­ motors 2) des Gehäuses 4 befindet, liegt die Öffnung 34 des Kühlrohres 33 außerhalb oder innerhalb des Gehäuses 4.

Zum Betrieb der Innenkühlung des Rotors 5 wird Kühlmit­ tel von der Kühlmittelpumpe 36 aus dem Kühlmittelsumpf 37 über das Kühlrohr 33 in den Hohlraum 31 im Rotor 5 gefördert. Von dort aus strömt es über den Ringraum zwi­ schen Kühlrohr 33 und Welle 6 zurück in den Sumpf 37. Der Hohlraum 31 befindet sich in Höhe des druckseitigen Bereichs der Gewindegänge der Pumpe 1, so daß gerade dieser Bereich wirksam gekühlt wird. Das außerhalb des Kühlrohres 33 zurückströmende Kühlmittel temperiert u. a. die Hohlwelle 6, die Lager 7 und 8, den Antriebsmotor 2 (ankerseitig) und die Zahnräder 3, so daß Wärmedeh­ nungsprobleme reduziert sind.

Zweckmäßig verringert sich der Querschnitt des Ringrau­ mes zwischen Kühlrohr 33 und Welle 6 im Bereich seines druckseitigen Endes z. B. dadurch, daß das Kühlrohr 33 in diesem Bereich einen größeren Außendurchmesser hat. Dadurch entsteht ein verengter Durchlaß 39. Diese Eng­ stelle sichert eine vollständige Füllung der das Kühl­ mittel führenden Räume.

Es kann zweckmäßig sein, als Werkstoff für das Kühlrohr 3 ein schlecht wärmeleitendes Material (z. B. Kunst­ stoff/Edelstahl o. dgl.) auszuwählen. Dadurch werden eine wirksamere Kühlung des Rotors 5 und eine gleich­ mäßige Temperierung der wellennahen Bauteile der Pumpe 1 erreicht.

Die dargestellte Gehäusemantelkühlung umfaßt Hohlräume bzw. Kanäle im Gehäuse 4. Im Bereich des Rotors 5 vorge­ sehene Kühlkanäle sind mit 41, im Bereich des Motors 2 befindliche Kühlkanäle mit 42 bezeichnet.

Die im Bereich des Rotors 5 befindlichen Kühlkanäle 41 haben zum einen die Aufgabe, die insbesondere im druck­ seitigen Bereich des Rotors 5 entstehende Wärme abzufüh­ ren. Zum anderen sollen sie das Gehäuse 4 in Höhe des gesamten Rotors möglichst gleichmäßig temperieren. Schließlich sollen sie die aufgenommene Wärme nach außen abgeben. Die vom Kühlmittel durchströmten Hohlräume 41 erstrecken sich deshalb über die volle Länge des Rotors 5. Der Gehäusedeckel 13 dient als saugseitiger Abschluß der Hohlräume 41. Auch auslaßseitig ist das Gehäuse 4 wirksam gekühlt.

Die in Höhe des Antriebsmotors 2 befindlichen Kühlkanäle 42 haben ebenfalls die geschilderten Aufgaben. Sie be­ wirken eine Temperierung des Antriebsmotors (wicklungsseitig) sowie des Lagerträgers 7. Schließlich vergrößern sie im erheblichen Maße die Wärmeabgabe über äußere Oberflächen der Pumpe 1. Zweckmäßig ist diese zu­ mindest in Höhe der Kühlkanäle 41 und 42 mit Rippen 44 ausgerüstet.

Die Versorgung der Kühlkanäle 41, 42 mit Kühlmittel er­ folgt ebenfalls mit Hilfe der Kühlmittelpumpe 36, und zwar über die Leitungen 45 und 46, wenn sie parallel durchströmt sein sollen. Je nach den thermischen Anfor­ derungen besteht auch die Möglichkeit, sie nacheinander mit Kühlmittel zu versorgen. Eine der Leitungen 45 oder 46 könnte dann entfallen. Über im einzelnen nicht darge­ stellte Bohrungen gelangt das Kühlmittel aus den Hohl­ räumen 41, 42 in den Sumpf 37 zurück.

Bei vertikaler Anordnung der Welle 6 übernimmt das im Sumpf befindliche Kühlmittel die Temperierung des in den Sumpf 37 hineinragenden Lagerträgers 12. Bei horizonta­ ler Anordnung ist es zweckmäßig, das zurückströmende Kühlmittel über die Innenseite des Deckels 14 strömen zu lassen, um sowohl den Lagersitz 12 zu temperieren als auch die Wärmeabgabe nach außen zu verbessern.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind - wie bereits erwähnt - das Gehäuse 4 und der Rotor 5 in Höhe der Linie 22 teilbar ausgebildet. Dadurch besteht die Möglichkeit, die saugseitigen Abschnitte von Rotor 5 (Abschnitt 17) und Gehäuse 4 (Abschnitt 4') durch andere Bauteile zu ersetzen. Die Pumpe 1 kann an verschiedene Applikationen angepaßt werden, indem Rotorabschnitte 17 mit unterschiedlichen Profilen 19, unterschiedlicher Länge, unterschiedlicher Steigung und/oder unter­ schiedllichem Durchmesser, jeweils zusammen mit einem angepaßten Gehäuseabschnitt, montiert werden. Es können verschieden große Profile auf der Saugseite zur Errei­ chung hoher Saugvermögen, verschieden lange Profile auf der Saugseite zur Erreichung niedriger Enddrücke und/oder verschiedene Volumenabstufungen zur Erreichung z. B. bei geringerer Abstufung eine höhere Fluidverträg­ lichkeit oder bei höherer Stufung ein hohes Saugvermögen bei relativ kleiner Leistungsaufnahme ausgewählt werden. Schließlich besteht die Möglichkeit, in Höhe einer Redu­ zierung des Durchmessers des Rotors 5 eine Umfangsnut vorzusehen, um bei bestimmten Applikationen in diesem Bereich eine Druckentlastung zu erzielen.

Das die Schraubenvakuumpumpe 1 durchströmende Kühlmittel kann Wasser, Öl (Mineralöl, PTFE-Öl oder dergleichen) oder eine andere Flüssigkeit sein. Zweckmäßig ist die Verwendung von Öl, um damit auch die Lager 7, 8 und die Zahnräder 3 schmieren zu können. Eine separate Führung von Kühlmittel und Schmiermittel sowie entsprechende Ab­ dichtungen können dadurch entfallen. Es muß lediglich für eine dosierte Zuführung von Öl zu den Lagern 7, 8 gesorgt werden.

Die beschriebenen Lösungen erlauben eine vorteilhafte Werkstoffauswahl. Beispielsweise können die Rotoren 5 und das Gehäuse 4 aus relativ preiswerten Aluminiumwerk­ stoffen bestehen. Die vorgeschlagene Kühlung und vor al­ lem gleichmäßige Temperierung der Pumpe 1 bewirken, daß es selbst bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen und relativ kleinen Spalten nicht zu lokalen Spielaufzehrun­ gen kommt, die ein Anlaufen Rotor an Rotor und/oder Ro­ tor an Gehäuse zur Folge haben. Eine weitere Reduzierung der Spalte ist möglich, wenn für die inneren, thermisch höher belasteten Bauteile (Rotoren, Lager, Lagerträger, Zahnräder) der Pumpe 1 Werkstoffe eingesetzt werden, die einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten haben als der Werkstoff für das weniger thermisch belastete Ge­ häuse 4. Eine Vergleichsmäßigung der Dehnung aller Bau­ teile der Pumpe 1 wird dadurch erreicht. Ein Beispiel für eine solche Werkstoffauswahl ist Stahl (z. B. CrNi- Stahl) für die inneren Bauteile und Aluminium für das Gehäuse. Als Werkstoffe für die inneren Bauteile können auch Bronze, Messing oder Neusilber dienen.

Claims (18)

1. Schraubenvakuumpumpe (1) mit Rotoren (5), dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Rotoren der Schrau­ benvakuumpumpe (1) aus separat hergestellten, form oder kraftschlüssig zusammengefügten Rotorabschnit­ ten (17, 18) besteht.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Rotoren (5) mindestens zwei Abschnitte (17, 18) mit unterschiedlichen Rotorprofilen (19, 20) aufweist.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der saugseitige Abschnitt (17) einen größeren Durchmesser hat als der druckseitige Ab­ schnitt (18).

4. Pumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rotorabschnitte (17, 18) aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.

5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der saugseitige Abschnitt (17) des Rotors (5) aus Aluminium, der druckseitige Abschnitt (18) aus Stahl besteht.

6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der saugseitige Rotorabschnitt (17) mit einer größeren Toleranz hergestellt ist als der druckseitige Rotorabschnitt (18).

7. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auch das Gehäuse (4) teilbar ausgebildet ist.

8. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennebene zwischen den beiden Gehäuseteilen mit der Trennebene (22) zwischen den beiden Rotor­ abschnitten (17, 18) identisch ist.

9. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Gehäusebohrung (26) vorgesehen ist, die die wendelförmigen Schöpfräume in der Höhe, in der ihr Querschnitt - sei es durch Stufung und/oder durch Wechsel des Gewindeprofils - abnimmt, mit dem Auslaß (27) verbindet und in der sich ein bei Überdruck öffnendes Rückschlagventil befindet.

10. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie mit einer Küh­ lung/Temperierung ausgerüstet ist.

11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Rotorinnenkühlung ausgerüstet ist.

12. Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rotorinnenkühlung in einem lagersei­ tig offenen Hohlraum (31) im Rotor (5) befindet.

13. Pumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein feststehendes, die hohl ausgebildete Welle (6) durchsetzendes Kühlrohr (33) im Hohlraum (31) mündet.

14. Pumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) den Hohlraum (31) durchsetzt und daß in den Ringraum zwischen Welle (6) und Rotor (5) bzw. Rotorabschnitt (18) eine sich auf dem Ge­ häuse (4) abstützende Kühlbuchse (51) hineinragt.

15. Pumpe nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Wandung des Ge­ häuses (4) der Pumpe (1), und zwar in Höhe des Ro­ tors (5), von einem Kühlmittel durchströmte Kanäle (41) vorgesehen sind.

16. Pumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auch im lagerseitigen Bereich des Gehäuses (4) vom Kühlmittel durchströmte Kanäle (42) vorgesehen sind.

17. Pumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das die Pumpe (1) durchströ­ mende Kühlmittel mit dem Schmiermittel für die La­ ger (7, 8) identisch ist.

18. Verfahren zur Herstellung einer Pumpe mit den Merk­ malen eines oder mehrerer der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für die saugseitige Anordnung bestimmten Rotorabschnitte (17) mit einer größeren Toleranz gefertigt werden als die für druckseitige Anordnung bestimmten Ro­ torabschnitte (18).