DE19748385A1 - Vacuum pump or compressor - Google Patents

Vacuum pump or compressor

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DE19748385A1
DE19748385A1 DE1997148385 DE19748385A DE19748385A1 DE 19748385 A1 DE19748385 A1 DE 19748385A1 DE 1997148385 DE1997148385 DE 1997148385 DE 19748385 A DE19748385 A DE 19748385A DE 19748385 A1 DE19748385 A1 DE 19748385A1
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Peter Frieden
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Abstract

The rotors are mechanically synchronized by gearwheels and their outlet side stroke volume is smaller than that of their inlet side. At least one oil or coolant circuit is installed, which is driven or maintained in operation by a pressure-producing pump (2). The oil circulation is a multiple of the amount necessary for straight lubrication. An adjustment is made into a small part flow (3) for lubricating purposes and large part flow (4) for cooling purposes. The displacement rotors are double-channelled and provided with bearings on both sides.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubenspindelpumpe, die zum trockenen Verdichten von Gasen eingesetzt werden soll.The invention relates to a screw pump used for dry compression of gases to be used.
Schraubenspindelpumpen wurden in der Vergangenheit vorzugsweise als Flüssigkeitspumpen eingesetzt. Sie haben zwei parallel angeordnete zylindrische Rotoren mit schraubenförmig verlaufenden Nuten (Vertiefungen) auf der Zylinderfläche. Die Rotoren greifen ineinander ein, so daß sich zwischen ihnen und der sie umgebenden Gehäusewandung abgeschlossene Arbeitsräume bilden. Bei gegenläufiger Drehung der Rotoren wandern diese Arbeitsräume von der Saugseite zur Druckseite.Screw pumps have been preferred in the past as Liquid pumps used. They have two parallel cylindrical ones Rotors with helical grooves (depressions) on the Cylinder surface. The rotors mesh with each other, so that between them and of the surrounding housing wall form closed work spaces. At counter-rotation of the rotors move these working spaces from the suction side to the print page.
In der Patentanmeldung EP 0 183 380 B1 ist eine solche Pumpe (Fig. 1) beschrieben. Es handelt sich hier um eine liegende zweiflutige Maschine zur Förderung von Öl/Gasgemischen. Die zweiflutige Anordnung hat die Eigenschaft, daß unabhängig von der Druckdifferenz keinerlei Axialkräfte auf die Rotoren ausgeübt werden, und da bei diesem Pumpprinzip auch praktisch so gut wie keine Radialkräfte auftreten, muß die Lagerung im wesentlichen nur die Gewichtskräfte der Rotoren tragen.Such a pump ( FIG. 1) is described in patent application EP 0 183 380 B1. It is a horizontal double-flow machine for the production of oil / gas mixtures. The double-flow arrangement has the property that no axial forces are exerted on the rotors regardless of the pressure difference, and since practically no radial forces occur with this pumping principle, the bearing essentially only has to bear the weight of the rotors.
Bemerkenswert an dieser Erfindung ist die Einführung einer Inneren Verdichtung, um den Energieverbrauch bei der Kompression mit hohen Gasanteilen zu vermindern. Dies wird dadurch erreicht, daß die Steigung des Schraubengewindes der Verdrängerrotoren zur Auslaßseite hin verringert wird und zwar entweder in Stufen (Fig. 3) oder kontinuierlich (Fig. 2).What is remarkable about this invention is the introduction of an internal compression in order to reduce the energy consumption in the compression with high gas contents. This is achieved in that the pitch of the screw thread of the displacement rotors is reduced towards the outlet side, either in stages ( FIG. 3) or continuously ( FIG. 2).
Ein Kühlmechanismus ist bei dieser Maschine nicht vorgesehen, da der geförderte Flüssigkeitsanteil vollständig zum Abtransport der entstehenden Reibungswärme bzw. Verdichtungswärme ausreicht.A cooling mechanism is not provided in this machine, as the one that is funded Liquid content completely for the removal of the friction heat or compression heat is sufficient.
Wegen fehlender Kühlung ist ein Betrieb dieser Maschine als Kompressor zur reinen Gasförderung kaum möglich und ein Betrieb als Vakuumpumpe gar völlig ausgeschlossen, da hier im Enddruckbetrieb überhaupt kein Massenstrom zur Wärmeabfuhr zur Verfügung steht.Because of the lack of cooling, this machine must be operated as a compressor Gas production hardly possible and operation as a vacuum pump completely excluded, since there is no mass flow at all in the final pressure mode Heat dissipation is available.
Das relativ aufwendige Dichtungssystem, welches den druck- bzw. flüssigkeitsbeaufschlagten Innenteil der Maschine von den übrigen Baugruppen abtrennt, trägt in erheblichem Maße zur Vergrößerung der Baulänge bei. Die dadurch bedingt große Einspannlänge der Rotoren mit entsprechend niedriger biegekritischen Drehzahl sowie die am Dichtungssystem entstehende Reibungswärme haben zur Folge, daß diese Maschine nur bei relativ niedrigen Drehzahlen (max. ca. 3000 Upm) betrieben werden kann. Für den Betrieb als Flüssigkeitspumpe ist dies auch nicht weiter von Belang, denn wegen der hohen Dichte von Flüssigkeiten und den damit verbundenen Phänomenen (z. B. Kavitation) sind dem nutzbaren Drehzahlbereich ohnehin Grenzen gesetzt. Bei der Förderung von Gasen, d. h. beim Betrieb als Kompressor und insbesondere als Vakuumpumpe sind hingegen fast immer möglichst hohe Drehzahlen sinnvoll, da dadurch erst die gewünschten Leistungsdaten, d. h. möglichst hoher volumetrischer Wirkungsgrad, hohe Kompressionsverhältnisse und möglichst hohe spezifische Saugleistung (d. h. Förderstrom im Verhältnis zur Maschinengröße) erreicht werden können. Der zur Gasförderung normalerweise sinnvolle Drehzahlbereich liegt mindestens um den Faktor drei höher als bei flüssigkeitsfördernden Maschinen mit volumetrischem Arbeitsprinzip und entsprechende konstruktive Anpassungsmaßnahmen sind von daher unumgänglich.The relatively complex sealing system, which the pressure or liquid-loaded inner part of the machine from the other assemblies separates, contributes significantly to the increase in length. The this results in a large clamping length of the rotors with a correspondingly lower one critical speed as well as the resulting at the sealing system Frictional heat have the consequence that this machine only at relatively low Speeds (max. Approx. 3000 rpm) can be operated. For operation as Liquid pump is also of no concern, because of the high Density of liquids and the associated phenomena (e.g. cavitation) there are limits to the usable speed range anyway. When promoting of gases, d. H. when operated as a compressor and in particular as a vacuum pump however, speeds as high as possible are almost always sensible, since this is the only way desired performance data, d. H. highest possible volumetric efficiency, high compression ratios and the highest possible specific suction power (i.e. Flow in relation to the machine size) can be achieved. The for  Gas production normally reasonable speed range is at least around the Factor three higher than with liquid-conveying machines with volumetric Working principle and corresponding constructive adaptation measures are from therefore inevitable.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, basierend auf dem Schraubenspindelprinzip einen möglichst kompakten und robusten Kompressor zu bauen, der über einen so effizienten Kühlmechanismus verfügt, daß er sich sowohl für den Betrieb als Vakuumpumpe als auch für die kalte und trockene Kompression von Prozeßgasen eignet. Damit steht dieser Maschinentyp in direkter Konkurrenz zu herkömmlichen, trockenverdichtenden Schraubenkompressoren. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist hier allerdings die Geometrie der Verdrängerrotoren: Die Steigung ist erheblich geringer als bei den üblichen Schraubenmaschinenprofilen, wodurch sich in Strömungsrichtung gesehen eine vielfache Reihenschaltung von Dichtspalten zwischen Druck- und Saugseite ergibt. Damit wird innerhalb einer Maschine der gleiche Effekt erreicht, der sonst nur unter großem maschinellem Aufwand durch den Bau von vielstufige Verdichtern möglich ist. Ein zweites Unterscheidungsmerkmal besteht darin, daß der Rotor eine zylindrische bzw. flächige Außenkontur hat und somit gegenüber der Gehäusewandung keine Linien- sondern eine Flächenberührung hat. Entsprechend höher ist der Strömungswiderstand, der die Leck- oder Verlustrückströmungen begrenzt und entsprechend höher ist der erreichbare volumetrische Wirkungsgrad. Beide Merkmale unterstützen sich in ihrer Wirkung und führen zu Leistungsmerkmalen, die bisher mit herkömmlichen trockenlaufenden Schraubenverdichtern nicht erreichbar waren.The aim of the present invention is based on the Screw principle to a compact and robust compressor build that has such an efficient cooling mechanism that it both for operation as a vacuum pump as well as for cold and dry compression of process gases. This type of machine is therefore in direct competition to conventional, dry compressing screw compressors. Essentials The distinguishing feature here, however, is the geometry of the displacement rotors: The slope is considerably less than the usual Screw machine profiles, which is seen in the flow direction multiple series connection of sealing gaps between the pressure and suction side results. In this way, the same effect is achieved within a machine that otherwise only under great mechanical effort possible by building multi-stage compressors is. A second distinguishing feature is that the rotor is a has cylindrical or flat outer contour and thus compared to the Housing wall does not have a line but a surface contact. Corresponding the higher the flow resistance, the leakage or loss backflow the achievable volumetric efficiency is limited and correspondingly higher. Both characteristics support each other in their effects and lead to Features that were previously with conventional dry-running Screw compressors could not be reached.
Für die Verfahrenstechnik kann diese Bauart deshalb interessant sein, weil sich schon bei relativ niedrigen Drehzahlen erstaunlich hohe volumetrische Wirkungsgrade ergeben. In Verbindung mit einer reibungsarmen Kugellagerung und einer effizienten Kühlung ist damit der Bau von fast beliebig kalten, berührungslosen und ventillosen Verdichtern möglich, die darüber hinaus noch über erfreulich hohe Gesamtwirkungsgrade verfügen.This type of construction can be interesting for process engineering because: surprisingly high volumetric even at relatively low speeds Efficiencies result. In conjunction with a low-friction ball bearing and efficient cooling is the construction of almost any cold, non-contact and valveless compressors possible, which are also pleasantly high Overall efficiencies.
In der Vakuumtechnik spielen dagegen die erreichbaren Kompressionsverhältnisse von über einer Million die entscheidende Rolle, wobei dazu allerdings ein recht hohes Drehzahlniveau nötig ist. Entsprechen gut sind die erreichbaren Enddrücke, die jedoch nur dann voll ausnutzbar sind, wenn die Maschinen mit einem leistungsfähigen Kühlmechanismus ausgestattet sind.In contrast, the achievable compression ratios play in vacuum technology of over a million played the decisive role, although this was quite right high speed level is necessary. The achievable final pressures are good, which, however, can only be fully used if the machines are equipped with one powerful cooling mechanism.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß dieser Pumpentyp ohne seitliche Begrenzungswände auskommt und somit keinerlei Gefahr des seitlichen Anlaufens oder Fressens besteht.Another advantage is that this type of pump without lateral boundary walls gets along and therefore no risk of lateral tarnishing or eating consists.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß Schraubenspindelpumpen u.A. aufgrund ihres deutlich höheren volumetrischen Wirkungsgrades erheblich anpassungsfähiger sind als die ihnen verwandten Schraubenmaschinen, sofern man geeignete Lösungen für die Kühlung und die Abfuhr der Verdichtungswärme findet.In summary, it can be stated that screw pumps, etc. due to their significantly higher volumetric efficiency are more adaptable than their related screw machines, provided you find suitable solutions for cooling and dissipating the heat of compression.
Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt dadurch, daß in die Maschine wenigstens ein Kühl- und/oder Schmiermittelkreislauf mit einer druckerzeugenden Pumpe installiert wird. Bei einem kombinierten Kühl- und Schmierkreislauf beträgt der Umlauf ein mehrfaches der Menge, die für reine Schmierzwecke nötig wäre und es erfolgt eine Aufstellung in einen kleinen Teilstrom zu Schmierzwecken und einen großen Teilstrom zu Kühlzwecken. The solution according to the invention is achieved in that at least one in the machine Coolant and / or lubricant circuit installed with a pressure generating pump becomes. With a combined cooling and lubrication circuit, the circulation is one several times the amount that would be necessary for pure lubrication purposes and there is one Installation in a small partial flow for lubrication purposes and a large one Partial flow for cooling purposes.  
Es können auch einer oder oder sogar zwei Kreisläufe installiert werden, die durch eine oder zwei Pumpen angetrieben werden, wobei ein Kreislauf (bzw. ein Teilkreislauf) mit höherem Druck und niedrigem Volumenstrom betrieben werden kann und ein zweiter Kreislauf (bzw. der Restkreislaut) mit niedrigem Druck und höherem Volumenstrom. Je nach Maschinengröße und Komplexitätsgrad können dadurch verschiedene Aufgaben wahrgenommen werden:
One or even two circuits can be installed, which are driven by one or two pumps, whereby one circuit (or a partial circuit) can be operated with higher pressure and low volume flow and a second circuit (or the remaining circuit) with low pressure and higher volume flow. Depending on the machine size and degree of complexity, various tasks can be performed:
  • 1. Zur Schmierung der Synchronisationsverzahnung und gegebenenfalls der Lager wird ein genau dosierter Teilstrom in die besagten Reibungszonen geführt.1. For lubrication of the synchronization teeth and, if necessary, the bearings a precisely metered partial flow is led into the said friction zones.
  • 2. Bei zweiflutigen Maschinen, die vorzugsweise beidseitig gelagert sind, kann ein besonders effizienter Kühleffekt dadurch erreicht werden, daß in die hohlgebohrten Verdrängerrotoren Kühlöl eingespritzt wird, welches einen Teil der entstehenden Verdichtungswärme direkt aus den Rotoren abtransportiert. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs vom Rotor an das Öl kann es sinnvoll sein, eine Durchmesserstufung anzubringen, die dazu führt, daß sich im Inneren der Rotoren ein begrenztes Ölreservoir bildet. Das Reservoir hat den Effekt, die Verweildauer des Öles im Rotor zu verlängern, so daß das Öl mehr Zeit hat, sich zu erwärmen, bevor es den Rotor wieder verläßt.2. For double-flow machines, which are preferably mounted on both sides, a particularly efficient cooling effect can be achieved in that in the hollow drilled displacement rotors, which is a part of the cooling oil generated heat of compression is removed directly from the rotors. For Improving the heat transfer from the rotor to the oil, it can make sense to attach a diameter gradation, which leads to the fact that inside the Rotors forms a limited oil reservoir. The reservoir has the effect that To prolong the dwell time of the oil in the rotor so that the oil has more time to warm up before it leaves the rotor.
  • 3. Ein ebenfalls reichlich bemessener Kühlöl-Teilstrom kann durch die Gehäusepartien geleitet werden, in deren unmittelbarer Umgebung die Verdichtungswärme konzentriert entsteht. Bei luftgekühlten Maschinen soll durch entsprechende Führung des Kühlöls angestrebt werden, daß die konzentriert entstehende Verdichtungswärme durch die Teilströme 2 und 3 abtransportiert und möglichst über die gesamte Maschinenoberfläche soweit verteilt wird, daß eine vollständige Wärmeabfuhr über die äußere Verrippung möglich ist.3. An also adequately dimensioned cooling oil partial flow can be passed through the housing parts, in the immediate vicinity of which the compression heat is concentrated. In the case of air-cooled machines, the appropriate guidance of the cooling oil should aim to ensure that the concentrated heat of compression is transported away by partial streams 2 and 3 and, if possible, distributed over the entire machine surface to such an extent that complete heat dissipation via the external ribbing is possible.
  • 4. Der zur Verfügung stehende Öldruck kann außerdem dazu benutzt werden, Kontroll- und Steuerfunktionen zu übernehmen wie z. B. Betriebsüberwachung durch Öldruckkontrolle, Betätigung oder Ansteuerung eines Saugstutzenventils und hydraulischer Axialschubausgleich bei fliegend gelagerten einflutigen Maschinen.4. The available oil pressure can also be used to Take control and control functions such. B. Operations monitoring through oil pressure control, actuation or control of a suction port valve and hydraulic axial thrust compensation for overhung single-flow Machinery.
Fig. 4 zeigt einen solchen Ölkreislauf in seiner einfachsten Form. Als wesentliche Elemente gibt es einen Ölkühler (1), bzw. eine Zone in der dem Öl Wärme entzogen wird, eine oder mehrere druckerzeugende Ölpumpen (2), die einen reichlich bemessenen Ölstrom fördern, sowie eine Aufteilung dieses Ölstromes in einen kleinen Teilstrom (3) zur Schmierung der Reibungszonen und einen mehrfach größeren Hauptstrom (4) zur Kühlung. Fig. 4 shows such an oil circuit in its simplest form. The essential elements are an oil cooler ( 1 ), or a zone in which heat is extracted from the oil, one or more pressure-generating oil pumps ( 2 ), which promote an amply dimensioned oil flow, and a division of this oil flow into a small partial flow ( 3 ) for lubrication of the friction zones and a main flow ( 4 ) several times larger for cooling.
Gegenüber dem eingangs erwähnten Stand der Technik ist eine in dieser Weise ausgerüstete Maschinen (Fig. 5 und 6) für die reine Gasförderung geeignet und bietet gegenüber vergleichbaren Kompressoren und Vakuumpumpen eine ganze Reihe von zusätzlichen Optionen und Vorteilen:
Compared to the prior art mentioned at the outset, a machine equipped in this way ( Figs. 5 and 6) is suitable for pure gas production and offers a whole range of additional options and advantages compared to comparable compressors and vacuum pumps:
  • - Durch den massiven Ölumlauf innerhalb der Maschine ist eine gleichmäßige Wärmeverteilung möglich und damit ergibt sich bis zu einer bestimmten Baugröße die Option auf reine Luftkühlung durch Umgebungsluft. Der oftmals umständliche und unerwünschte Anschluß von Kühlwasserleitungen entfällt, was die Installation vereinfacht.- Due to the massive oil circulation inside the machine, it is even Heat distribution possible and thus results up to a certain size the option of pure air cooling using ambient air. The often cumbersome and unwanted connection of cooling water pipes, which eliminates the installation simplified.
  • - Die Betriebstemperatur der Rotoren kann dank des direkten Kontaktes mit dem Kühlmedium (Fig. 5) trotz hoher Leistungsdichte relativ niedrig gehalten werden. Bei Verwendung eines Schmiermittels mit niedrigem Siedepunkt oder eines Mehrstoffsystems wie z. B. einer Öl-Wasseremulsion (wie Bohröl etc.) kann der Kühleffekt durch bewußt herbeigeführte Verdampfung nochmals drastisch gesteigert werden. Die Wärmeverteilung innerhalb der Maschine ist in diesem Fall besonders einfach, da der entstehende Dampf an den kältesten Gehäuseteilen automatisch kondensiert. Durch eine innere Verrippung, die wärmetechnisch an eine äußere angepaßt ist, kann die Wärmeabgabe optimiert werden.- The operating temperature of the rotors can be kept relatively low despite the high power density thanks to the direct contact with the cooling medium ( Fig. 5). When using a lubricant with a low boiling point or a multi-component system such. B. an oil-water emulsion (such as drilling oil, etc.), the cooling effect can be drastically increased again by deliberately induced evaporation. The heat distribution inside the machine is particularly simple in this case, since the steam that forms automatically condenses on the coldest parts of the housing. The heat dissipation can be optimized by means of an inner ribbing, which is thermally adapted to an outer one.
  • - Der durch den Druck einer Ölpumpe angetriebene Ölkreislauf eröffnet die Option, Filter und Feinstfilter (z. B. zur Erhöhung der Ölstandszeit und der Lagerlebensdauer) und vor allem einen zusätzliche Ölkühler in den Ölkreislauf einzuschleifen. Die wärmeabgebende Oberfläche kann dadurch drastisch vergrößert werden, was man entweder dazu ausnutzen kann, die Leistungsdichte abermals zu erhöhen oder aber das gesamte Temperaturniveau der Maschine abzusenken. Durch einen eigens dazu vorgesehenen Adapter (28 in Fig. 8) kann das Nachrüsten mit Ölkühler vereinfacht werden.- The oil circuit, which is driven by the pressure of an oil pump, opens up the option of grinding in filters and ultra-fine filters (e.g. to increase the oil life and bearing life) and, above all, an additional oil cooler in the oil circuit. This can drastically increase the heat-emitting surface, which can either be used to increase the power density again or to lower the overall temperature level of the machine. Retrofitting with an oil cooler can be simplified using a specially provided adapter ( 28 in FIG. 8).
  • - Neben den üblichen Öl/Luftkühlern kann bei größeren Maschinen die Verwendung von Öl/Wasserkühlern sinnvoll sein. In diesem Fall bietet es sich an, die Kühlkanäle im Gehäuse nicht mit Öl sondern direkt mit Kühlwasser zu versorgen, da man die Ölpumpe und den Kühler dann deutlich kleiner dimensionieren kann. Reihenschaltung von Ölkühler und Gehäusekühlung im Wasserkreislauf kann sich hier als Optimallösung herausstellen.- In addition to the usual oil / air coolers, larger machines can use it of oil / water coolers make sense. In this case, the cooling channels are the best option in the housing not with oil but directly with cooling water, because the Oil pump and the cooler can then dimension significantly smaller. Series connection of oil cooler and housing cooling in the water circuit can stand out here as an optimal solution.
  • - Eine Ölversorgung mit mehreren bar Überdruck eröffnet darüberhinaus die Möglichkeit, den Axialschub von fliegend gelagerten einflutigen Maschinen mit relativ geringem Aufwand nahezu vollständig auszugleichen (Fig. 7).- An oil supply with several bar overpressure also opens up the possibility of almost completely compensating the axial thrust of overhung single-flow machines with relatively little effort ( Fig. 7).
Fig. 5 zeigt die Draufsicht einer erfindungsgemäß konstruierten Maschine. Das Ansaugen geschieht im Zentrum durch einen nicht dargestellten Saugstutzen und das Gas wird anschließend nach beiden Seiten weggefördert und dabei innerhalb der sich verkleinernden Hubräume (5) vorverdichtet. Die Trennung zwischen Arbeits- und Getrieberäumen erfolgt hier durch berührungslose Labyrinthdichtungen (6). Sie beanspruchen nur wenig axiale Einbaulänge und da sie aus Metall sind und berührungsfrei arbeiten, sind sie nahezu beliebig drehzahl- und temperaturfest. Die verkürzte Einspannlänge erhöht die Biegesteifigkeit der Rotoren, was der maximal möglichen Betriebsdrehzahl (biegekritische Drehzahl) ebenfalls zugute kommt. Fig. 5 shows the plan view of an inventive machine constructed. The suction takes place in the center through a suction nozzle (not shown) and the gas is then conveyed away to both sides and is pre-compressed within the smaller displacement ( 5 ). The separation between work and gear rooms is made here by contactless labyrinth seals ( 6 ). They only require a small axial installation length and, since they are made of metal and work without contact, they are almost unlimited speed and temperature resistant. The shortened clamping length increases the bending stiffness of the rotors, which also benefits the maximum possible operating speed (critical bending speed).
Konstruktiv und maschinendynamisch bedingt ließen sich somit enorm hohe Leistungsdichten (Förderleistung im Verhältnis zur Maschinengröße) realisieren, wenn nicht thermische und thermodynamische Grenzen dagegenstünden. Vor allem die Rotoren von Vakuumpumpen würden sich fast beliebig bis zur Zerstörung aufheizen, wenn nicht ein effizienter Kühlmechanismus die zwangsläufig entstehende Verdichtungswärme abtransportieren würde. Erfindungsgemäß wird hier durch Einspritzen von gekühltem Öl oder Kühlmittel in die hohlgebohrten Rotoren Abhilfe geschaffen. Die Einspritzdüsen (7) sind vorzugsweise in den Getrieberaumdeckeln untergebracht.Due to the design and machine dynamics, enormously high power densities (delivery capacity in relation to machine size) could be achieved if there were no thermal and thermodynamic limits. In particular, the rotors of vacuum pumps would heat up to destruction almost indefinitely if an efficient cooling mechanism did not remove the compression heat that was inevitably generated. According to the invention, this is remedied by injecting cooled oil or coolant into the hollow drilled rotors. The injection nozzles ( 7 ) are preferably housed in the gearbox covers.
Im vorliegenden Fall wird Öl von beiden Seiten in beide Rotoren eingespritzt, wobei der Flüssigkeitsstrahl auf die Stirnseite der Sackbohrungen prallt. Dort wird das Öl in Rotation versetzt, liegt von da an als dünner Film an der Bohrungswand an und fließt über das freie Wellenende wieder ab. Motorseitig ist die Sackbohrung (8) zylindrisch ausgeführt, was den Vorteil der einfachen Herstellung hat und was mit dem Nachteil verbunden ist, daß sich entsprechend dem hohen Drehzahlniveau nur ein sehr dünner Film mit entsprechend kurzer Verweildauer aufbauen kann.In the present case, oil is injected from both sides into both rotors, the liquid jet hitting the face of the blind bores. There the oil is set in rotation, from then on it lies as a thin film on the wall of the bore and flows off again via the free shaft end. On the motor side, the blind bore ( 8 ) is cylindrical, which has the advantage of simple manufacture and which has the disadvantage that only a very thin film with a correspondingly short dwell time can build up in accordance with the high speed level.
Am gegenüberliegenden Ende des Rotors ist die Bohrung in exemplarischer Weise als Doppelkonus (9) ausgeführt. Dadurch kann sich im heißesten Teil des Rotors ein Ölring mit nennenswertem Volumen ausbilden, wodurch sich die Verweildauer des Öls im Rotor und damit auch die Wärmeaufnahme erhöht.At the opposite end of the rotor, the bore is designed as a double cone ( 9 ). As a result, an oil ring with a noticeable volume can form in the hottest part of the rotor, which increases the length of time the oil stays in the rotor and thus also the heat absorption.
Eine weiteres Steigerung der Kühlwirkung läßt sich dadurch erreichen, daß man ein Kühlmedium einspritzt, welches teilweise oder sogar vollständig verdampfen kann. A further increase in the cooling effect can be achieved by one Injects cooling medium, which can evaporate partially or even completely.  
Bei einer kompromißlosen Auslegung auf maximale Kühlung kann es sogar Sinn machen, die Maschine völlig ölfrei (mit fettgeschmierten Kugellagern und elektronischer Synchronisation) zu betreiben, da man dann bei der Auswahl des Kühlmediums keinerlei Rücksicht mehr auf dessen Schmiereigenschaften nehmen muß.With an uncompromising design for maximum cooling, it can even make sense make the machine completely oil free (with grease lubricated ball bearings and electronic synchronization) to operate, because then when selecting the Cooling medium no longer take into account its lubricating properties got to.
Je nachdem, ob aggressive Medien gepumpt werden oder als Kühlmittel zum Einsatz kommen, kann es sinnvoll sein, den Ständer der Motoren zu kapseln und die Läufer korrosionsfest auszuführen.Depending on whether aggressive media are pumped or as a coolant for It can make sense to encapsulate the stator of the motors and the Run rotor in a corrosion-resistant manner.
Bei luftgekühlten Maschinen sorgt ein starker Lüfter dafür, daß ausreichend Kühlluft an der Verrippung entlangstreicht. Ein angedeutetes Luftleitblech (10) sorgt für die günstigste Führung des Luftstromes und kann ggf. über die gesamte Baulänge fortgesetzt werden. Bei richtiger Konstruktion und Matrialauswahl kann diese Umhüllung auch noch zur Geräuschdämpfung herangezogen werden.In air-cooled machines, a strong fan ensures that sufficient cooling air runs along the ribs. An indicated air baffle ( 10 ) ensures the most favorable guidance of the air flow and can be continued over the entire length if necessary. With the right construction and material selection, this casing can also be used for noise reduction.
Weitere Einzelheiten und Komponenten, die zur Funktion dieser Maschine erforderlich sind, wie z. B. interne oder externe Ölkühler bzw. Kondensatoren, Ölführungskanäle, Adapter, Ölpumpen, Filter, Ventile etc. werden als bekannt vorausgesetzt und sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung nicht dargestellt.More details and components necessary for the functioning of this machine are required, such as B. internal or external oil coolers or capacitors, Oil guide channels, adapters, oil pumps, filters, valves etc. are known as provided and are not in the drawing for reasons of clarity shown.
In Fig. 6 ist eine fliegend gelagerte einflutige Maschine dargestellt. Auffallend ist hier das hohe innere Verdichtungsverhältnis, das in dieser Höhe nur durch die Durchmesserstufung der Rotoren erreichbar ist. Diese extreme Auslegung macht vor allem Sinn für Vakuumpumpen, die überwiegend im Enddruckbetrieb arbeiten sollen. Zur Erhöhung der biegekritischen Drehzahl ist hier das rechte Lager so weit wie möglich an den schweren Teil des Verdrängerrotors herangerückt und befindet sich dadurch praktisch innerhalb des Rotors. Eine direkte Kühlung durch Öleinspritzung in den Rotor ist hier kaum realisierbar und folglich wird der Rotor hier wesentlich heißer als bei der zweiflutigen Maschine. Er kann seine Wärme praktisch nur durch Strahlung und Konvektion nach außen an das Gehäuse (11) oder nach innen an den Lagersockel (12) loswerden. Ungekühlt würde der Lagersockel und mit ihm das rechte Lager annähernd die Temperatur des Rotors annehmen, was zumindest für das Lager tödlich wäre. Abhilfe schafft auch hier der erfindungsgemäße Ölkreislauf: Durch eine selbstansaugende Ölpumpe (13) (hier eine Zahnradpumpe, die in besonders kostengünstiger Weise am Wellenende angebracht ist), wird das Öl durch die hohlgebohrten Wellen in den Lagerbereich gefördert und kann dort durch Querbohrungen (14) entweichen. Durch spiralförmig angeordnete Schleuderringe (15) soll erreicht werden, daß der Lagersockel von innen gleichmäßig mit Öl benetzt wird und das Öl zurück in den Ölsumpf transportiert wird. Der enge Spalt (16) zwischen Sockelende und Welle ist mit Gewindenuten ausgestattet, die mit ihrer Pumpwirkung das Austreten von Öl verhindern sollen.In Fig. 6 is a cantilevered-flow machine is shown. What is striking here is the high internal compression ratio, which can only be achieved at this height by the diameter gradation of the rotors. This extreme design makes sense for vacuum pumps, which are supposed to work primarily in the final pressure mode. To increase the critical speed, the right bearing has moved as far as possible to the heavy part of the displacement rotor and is therefore practically inside the rotor. Direct cooling through oil injection into the rotor is hardly feasible here and consequently the rotor becomes much hotter here than with the double-flow machine. He can practically get rid of his heat only by radiation and convection to the outside of the housing ( 11 ) or inwards to the bearing base ( 12 ). Uncooled, the bearing base and with it the right-hand bearing would approach the temperature of the rotor, which would be fatal for the bearing, at least. The oil circuit according to the invention also provides a remedy here: by means of a self-priming oil pump ( 13 ) (here a gear pump, which is attached to the shaft end in a particularly cost-effective manner), the oil is conveyed through the hollow-drilled shafts into the bearing area and can be passed there through transverse bores ( 14 ). escape. Spirally arranged slinger rings ( 15 ) are intended to ensure that the bearing base is uniformly wetted with oil from the inside and that the oil is transported back into the oil sump. The narrow gap ( 16 ) between the base end and the shaft is equipped with thread grooves, which are designed to prevent oil from escaping with their pumping action.
Erwähnenswert ist weiterhin das Überdruckventil (17), welches zwischen den Stufen angebracht ist. Es hat die Aufgabe, bei hohen Ansaugdrücken die von dem hubraumstarken Rotorabschnitt geförderte Überschußmenge an der hubraumschwachen Endstufe vorbei und direkt in den Auspuff (18) zu leiten. Überverdichtung bei hohen Ansaugdrücken wird dadurch vermieden. Aus Darstellungsgründen ist der Auspuff hier an der Oberseite der Maschine angeordnet. Bei einer praktisch ausgeführten Maschine wird man den Auspuff so tief wie möglich anbringen um die Verschmutzungs- und Verstopfungsgefahr zu verringern.Also worth mentioning is the pressure relief valve ( 17 ), which is installed between the steps. At high intake pressures, it has the task of directing the excess quantity conveyed by the high-displacement rotor section past the low-displacement output stage and directly into the exhaust ( 18 ). This avoids over-compression at high intake pressures. For reasons of illustration, the exhaust is located on the top of the machine. In a practical machine, the exhaust will be installed as low as possible to reduce the risk of contamination and clogging.
Im Bereich der thermisch hochbelasteten Endstufe ist auch hier das Gehäuse mit Kühlkanälen (19) versehen, die ebenfalls vom Öl- bzw. Kühlmittelkreislauf gespeist werden. In the area of the thermally highly stressed output stage, the housing is also provided with cooling channels ( 19 ) which are also fed by the oil or coolant circuit.
Der Saugstutzen wird im stromlosen Zustand durch ein Saugstutzenventil (20) verschlossen. Im Betrieb kann das Ventil entgegen dem Druck einer Feder elektromagnetisch nach unten gezogen und dadurch geöffnet werden.In the de-energized state, the suction nozzle is closed by a suction nozzle valve ( 20 ). In operation, the valve can be pulled electromagnetically downwards against the pressure of a spring and thereby opened.
Einflutigen Maschinen dieser Bauart haben das prinzipielle Problem, daß je nach Größe und Druckdifferenz erhebliche Axialkräfte auftreten können, die im Zusammenwirken mit den betriebsbedingt hohen Drehzahlen sehr leicht zur Überlastung der Lager führen können. Der Ölkreislauf mit druckerzeugenden Pumpen bietet hier eine besonders platzsparende und elegante Möglichkeit zum hydraulischen Axialschubausgleich (Fig. 7): Eine Druckplatte (21) ragt hier in die ausgesparten Zahnräder (22) hinein, so daß nur ein Minimum an zusätzlicher Baulänge (23) erforderlich ist. Da die Öldruck aufnehmende Fläche begrenzt ist und wesentlich kleiner als die druckbeaufschlagte Fläche der Rotoren, muß hier mit höheren Öldrücken gearbeitet werden, als für Kühlung und Schmierung erforderlich ist. Folglich kann es sinnvoll sein, zwei unabhängige Ölkreisläufe mit unterschiedlichen Pumpprinzipien zu installieren: Für den Hochdruckkreislauf kommen dann vorzugsweise volumetrisch fördernde Pumpen wie z. B. Zahnradpumpen (hier Innenzahnradpumpe 24)) in Frage, für den Niederdruck­ kreislauf zur Kühlung und Wärmeverteilung eignen sich Pumpen mit hohen Durchsatz und niedrigen Druckaufbau besser, wie z. B. Viskositäts- oder Kreiselpumpen.Single-flow machines of this type have the fundamental problem that, depending on the size and pressure difference, considerable axial forces can occur which, in conjunction with the high speeds caused by operation, can very easily lead to overloading of the bearings. The oil circuit with pressure-generating pumps offers a particularly space-saving and elegant option for hydraulic axial thrust compensation ( Fig. 7): A pressure plate ( 21 ) projects into the recessed gears ( 22 ), so that only a minimum of additional length ( 23 ) is required is. Since the oil pressure-absorbing area is limited and much smaller than the pressurized area of the rotors, higher oil pressures must be used here than is required for cooling and lubrication. It can therefore make sense to install two independent oil circuits with different pumping principles. For the high-pressure circuit, volumetric pumps such as pumps are preferred. B. gear pumps (here internal gear pump 24 )) in question, for the low pressure circuit for cooling and heat distribution pumps with high throughput and low pressure build-up are better, such as. B. viscosity or centrifugal pumps.
Falls nötig ist es bei einer solchen Anordnung sogar möglich, den Öldruck mittels eines Druckreglers (25) in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auspuff so auszuregeln, daß in allen Betriebszuständen ein nahezu vollständiger Axialschubausgleich erfolgt.If necessary, it is even possible with such an arrangement to regulate the oil pressure by means of a pressure regulator ( 25 ) as a function of the pressure difference between the inlet and the exhaust so that an almost complete axial thrust compensation takes place in all operating states.
Weitere Verbesserungen, Besonderheiten und Änderungen gegenüber dem eingangs erwähnten Stand der Technik betreffen den Antrieb, die Schalldämpfung, die Vakuumsicherung, den Schutz der Lagerung sowie die Verringerung des Energieverbrauchs durch innere Verdichtung.Further improvements, special features and changes compared to the The prior art mentioned at the beginning relates to the drive, the sound damping, the vacuum protection, the protection of the storage and the reduction of Energy consumption through internal compression.
Antriebdrive
Es wird vorgeschlagen, den Antriebsmotor direkt auf der verlängerten Welle anzubringen. Ein Frequenzumformer, der möglichst in die Maschine integriert sein sollte, sorgt für das hohe Drehzahlniveau.It is suggested to drive the motor directly on the extended shaft to attach. A frequency converter that should be integrated into the machine if possible should ensure the high speed level.
Gegenüber einer Getriebelösung ohne Frequenzumformer hat das den Vorteil, daß der Motor sehr viel kleiner gebaut werden kann und man zusätzliche Zahnräder einspart.Compared to a gearbox solution without a frequency converter, this has the advantage that the motor can be built much smaller and you can get additional gears saves.
Man kann eine oder auch beide Wellen direkt antreiben, wobei die Verzahnung im letzteren Fall keine Leistung mehr übertragen muß sondern nur noch der Synchronisation der beiden Schraubenspindelrotoren dient. In beiden Fällen kann es jedoch sinnvoll und sogar notwendig sein, die Verzahnung ausreichend zu schmieren.You can drive one or both shafts directly, with the teeth in the latter case no longer has to transmit power but only the Synchronization of the two screw rotors is used. In both cases however, it may be sensible and even necessary to adequately mesh the teeth lubricate.
Neben der Tatsache, daß die gesamte Maschine durch Verwendung eines Frequenzumformers erheblich leichter und kompakter wird, bieten sich zusätzlich noch drei erfreuliche Optionen an:
In addition to the fact that the entire machine is made considerably lighter and more compact by using a frequency converter, there are three additional options:
  • 1. Moderne Frequenzumrichter sind nicht mehr an feste Netzspannungen und -frequenzen gebunden, sondern sie beherrschen eine beachtliche Bandbreite von Spannungen und Frequenzen. Dadurch kann die Ausstattung der Maschinen mit Sondermotoren für verschiedene Länder entfallen. 1. Modern frequency converters are no longer at fixed mains voltages and -frequencies bound, but they master a considerable range of Voltages and frequencies. This means that the machines can be equipped with There are no special motors for different countries.  
  • 2. Eine manuelle und/oder elektronisch gesteuerte Drehzahlanpassung an unterschiedliche Prozesse ist dank des Frequenzumformers problemlos machbar (z. B. mit Einstellknopf und Analogeingang). Da die volle Leistung bzw. das volle Saugvermögen einer Vakuumpumpe in vielen Fällen nur in der Anfangsphase der Evakuierung eines Systems (d. h. während des Ausgasens) benötigt wird, kann nach Erreichen des gewünschten Systemdruckes die Drehzahl soweit abgesenkt werden, daß der gewünschte Druck soeben gehalten wird. Die Pumpe kann somit praktisch als Druckregler eingesetzt werden und proportional zur Drehzahlabsenkung wird zusätzlich noch in erheblichem Maße Antriebsleistung eingespart. Ähnliches kann auch für Verdichtungsprozesse gelten.2. A manual and / or electronically controlled speed adjustment Different processes can be done easily thanks to the frequency converter (e.g. with adjusting knob and analog input). Because the full performance or the full Pumping speed of a vacuum pump in many cases only in the initial phase of the Evacuation of a system (i.e. during outgassing) may be required after reaching the desired system pressure, the speed is reduced so far be that the desired pressure is just maintained. The pump can can be used practically as a pressure regulator and proportional to Lowering the speed will also drive the motor to a considerable extent saved. The same can also apply to compression processes.
  • 3. Da Drehmomentstöße und -anstiege in einem Elektromotor von äquivalenten Stromänderungen begleitet sind, kann ein Frequenzumrichter, der um ein elektronisches Überwachungsmodul erweitert ist, zusätzliche Schutz- und Überwachungsfunktionen erfüllen.3. Because torque surges and increases in an electric motor of equivalent Current changes are accompanied by a frequency converter, which can be a electronic monitoring module is expanded, additional protection and Fulfill monitoring functions.
SchalldämpfungSound absorption
Da bis auf die Lagerung und Verzahnung die Pumpe weitestgehend berührungsfrei arbeitet, ist nur eine geringe mechanische Geräuschentwicklung zu erwarten. Die abgeschlossenen Arbeitsräume zwischen den Rotoren jedoch werden im Betrieb ziemlich schlagartig mit der Auslaßseite (bei Vakuumpumpen mir der Atmosphärenseite) in Verbindung gebracht, wodurch zwangsläufig Druckpulsationen im Auslaßbereich entstehen, die sich als dominierende Geräuschquelle bemerkbar machen. Zur Geräuschminderung bieten sich vier verschiedene Möglichkeiten an:
Since the pump operates largely without contact except for the bearings and teeth, only a low level of mechanical noise can be expected. The closed working spaces between the rotors, however, are suddenly connected to the outlet side during operation (in the case of vacuum pumps with the atmosphere side), which inevitably creates pressure pulsations in the outlet area, which become noticeable as a dominant source of noise. There are four different options for noise reduction:
  • 1. Kontrollierter Einlaß von Gas in die noch abgeschlossenen Arbeitsräume durch kalibrierte Bohrungen in der Gehäusewand. Das Druckniveau in den Arbeitsräumen wird angehoben, noch bevor die Verbindung zum Auslaß hergestellt ist. Entsprechend der verringerten Druckdifferenz nimmt die Amplitude der Pulsationen ab. Wenn das eingeführte Gas kalte Umgebungsluft oder gekühltes Abgas ist, hat diese Maßnahme noch zusätzlich einen Kühleffekt, der bei anderen Maschinenarten auch als "Voreinlaßkühlung" bekannt ist.1. Controlled inlet of gas into the still closed work rooms calibrated holes in the housing wall. The pressure level in the Workrooms are raised even before connecting to the outlet is made. The amplitude increases in accordance with the reduced pressure difference of pulsations. If the gas introduced is cold ambient air or is cooled exhaust gas, this measure also has a cooling effect that is also known as "pre-inlet cooling" in other types of machines.
  • 2. Allmähliche Vergrößerung des Radialspaltes zwischen Rotoren und Gehäuse im Bereich der Rotorauslaßkante im betriebswarmen Zustand. Ähnlich wie unter 1 wird auch hier der Arbeitsraum aufgefüllt, nur daß hier die Zuströmung über die vergrößerten Spalte erfolgt. Eine gleichzeitige Kühlfunktion ist hier nicht möglich. Beiden Maßnahmen ist gemein, daß sie das maximal mögliche Kompressionsverhältnis der Maschine verschlechtern.2. Gradual enlargement of the radial gap between rotors and housing in the Area of the rotor outlet edge when warm. Similar to 1 the work space is also filled here, only that the inflow over the enlarged column takes place. A simultaneous cooling function is not possible here. Common to both measures is that they are the maximum possible Machine compression ratio deteriorate.
  • 3. Integrierter oder externer Anbauschalldämpfer der analog wie der Ölkühler an die Maschine angepaßt ist. Die Schalldämpfung erfolgt hier durch Umlenkungen, absorbierende Auskleidungen sowie größere Totvolumina und Verengungen im Abgasweg analog den Auspuffanlagen von Kraftfahrzeugen.3. Integrated or external add-on silencer which is analogous to the oil cooler on the Machine is adjusted. The sound attenuation takes place here through deflections, absorbent linings as well as larger dead volumes and constrictions in the Exhaust route analogous to the exhaust systems of motor vehicles.
  • 4. Besonders effizient dürfte der Einbau eines gewichts- oder federbelasteten Rückschlagventils im Abgasweg sein, welches je nach Betriebspunkt nur soviel Querschnitt wie unbedingt nötig freigibt. Im Enddruckbetrieb von Vakuumpumpen ist die lärmerzeugende Auslaßkante der Rotoren dann weitestgehend vom Auspuff getrennt, so daß eine direkte Schallübertragung fast vollständig verhindert werden kann. Diese Lösung hat weiterhin den Vorteil, daß sie nur sehr wenig Einbauraum benötigt und zu keiner Leistungsverschlechterung führt. Das Ventil sollte nur statisch arbeiten, und daher ist eine ausreichende Bedämpfung wichtig, um vorzeitigen Ausfall durch Flattern, Resonanz etc. zu verhindern.4. The installation of a weight or spring-loaded should be particularly efficient Check valve in the exhaust gas path, which depending on the operating point only so much Releases cross section as absolutely necessary. In the final pressure operation of vacuum pumps is the noise generating outlet edge of the rotors then largely from Exhaust separated so that direct sound transmission is almost completely prevented can be. This solution also has the advantage that it has very little Installation space required and does not lead to a deterioration in performance. The valve should only work statically, so adequate cushioning is important to prevent premature failure due to flutter, resonance, etc.
Vermutlich erweist sich die Kombination von mehreren Möglichkeiten in der Praxis als optimal. In der Standardversion sollte die Maschine über eine serienmäßig integrierte, robuste und schmutzunempfindliche Schalldämpfung verfügen (z. B. 1, 2, 4) und nur extreme Geräuschanforderungen (z. B. Laborbetrieb oder Gerätebau) sollten durch einen speziell angepaßten und optimierten Anbauschalldämpfer erfüllt werden. In Fig. 9 ist eine besonders kostengünstige Version vorgestellt: Da diese Maschine wegen der starken Stufung ohnehin ein Überdruckventil benötigt, kann die gleiche Ventilplatte an der linken Seite als Geräuschdämpfer fungieren.In practice, the combination of several options will probably prove to be optimal. In the standard version, the machine should have a standard integrated, robust and dirt-resistant sound insulation (e.g. 1, 2, 4) and only extreme noise requirements (e.g. laboratory operation or device construction) should be met by a specially adapted and optimized add-on silencer . A particularly cost-effective version is presented in FIG. 9: since this machine anyway requires a pressure relief valve because of the strong gradation, the same valve plate on the left side can act as a noise damper.
VakuumsicherungVacuum protection
In Fig. 6 ist die Maschine noch um ein Saugstutzenventil (20 in Fig. 6) erweitert. Bei der Anwendung als Vakuumpumpe ist es häufig unerwünscht, daß nach dem Abschalten der Pumpe der Druck im leergepumpten Vakuumsystem ansteigt. Zu diesem Zweck wird der Saugstutzen mit einem Verschlußorgan abgedichtet. Die Bewegung des Verschlußorgans kann entweder durch einen federbelasteten Elektromagneten erfolgen, der in dem zylindrischen Gehäuse untergebracht ist oder durch Belüftung eines Kolbens, der in diesem Fall über ein Magnetventil angesteuert wird. In beiden Fällen muß das Saugstutzenventil im stromlosen Zustand verzögerungsfrei schließen.In Fig. 6 the machine is expanded by a suction nozzle valve ( 20 in Fig. 6). When used as a vacuum pump, it is often undesirable for the pressure in the vacuum system which has been pumped empty to rise after the pump has been switched off. For this purpose, the suction nozzle is sealed with a closure member. The movement of the closure member can take place either by a spring-loaded electromagnet, which is accommodated in the cylindrical housing, or by ventilation of a piston, which in this case is controlled by a solenoid valve. In both cases, the suction port valve must close without delay when de-energized.
Da die Maschine sich beim Abschalten oder bei Stromausfall aufgrund ihrer Trägheit zunächst weiterdreht, ist ein Rückströmen des Gases somit praktisch vollständig ausgeschlossen (Ausschalt-Luftschluck=Null). Beim Einschalten muß hingegen dafür gesorgt werden, daß das Saugstutzenventil nicht sofort öffnet, da die Maschine eine gewisse Zeit braucht, um auf ihre Enddrehzahl und einen entsprechend niedrigen Druck zu kommen. Ein zeitverzögertes Öffnen oder eine drehzahlabhängige Ansteuerung (z. B. bei Überschreitung von 70-90% der eingestellten Enddrehzahl) kann hier sinnvoll sein. Auch hier kann das integrierte Steurungs- und Überwachungsmodul am Frequenzumrichter wertvolle Dienste leisten und bei optimaler Ansteuerung die Option eröffnen, auch den Einschalt- Luftschluck in eine vernachlässigbare Größenordnung zu bringen.Because the machine turns off when it is switched off or in the event of a power failure due to its inertia initially continues to rotate, the backflow of the gas is thus practically complete excluded (switch-off air intake = zero). However, when switching on be ensured that the suction port valve does not open immediately, since the Machine takes a certain amount of time to get to its final speed and one correspondingly low pressure to come. A delayed opening or a speed-dependent control (e.g. if 70-90% of the set final speed) can be useful here. Here, too, the integrated Control and monitoring module on the frequency converter valuable services and, with optimal control, open up the option of also switching on To bring air swallowing to a negligible size.
Schutz der LagerungProtection of storage
Eine erste und wesentliche Maßnahme besteht darin, den Auspuff so tief wie möglich anzubringen. Anfallendes Kondensat sollte ungehindert zum Auspuff entweichen können bevor es die Lager erreicht.A first and essential measure is to make the exhaust as deep as possible possible to attach. Accumulated condensate should go to the exhaust unhindered can escape before it reaches the bearings.
Labyrinthdichtungen verbessern die Trennung zwischen Getriebe- und Arbeitsraum. Durch zusätzliches Einblasen von Sperrgas in den Raum zwischen den Dichtringen (6 in Fig. 5) kann der Kontakt des geförderten Gases mit der Lagerung vollständig verhindert werden. Bei der einflutigen Maschine in Fig. 6 bietet sich der Ringraum zwischen Rotor und Lagersockelstirnseite zum Einblasen von Sperrgas an. Diese Option ist besonders bei der Förderung von hochagressiven Gasen wichtig. Ebenso läßt sich die Diffusion von Getriebeöl in den Arbeitsraum durch Sperrgaseinsatz vollständig unterbinden, so daß die Pumpe auch für hochreine Vakuumanwendungen geeignet ist. Berührungslose Labyrinthdichtungen unterliegen keinerlei Verschlei ß, sie sind in der Regel aus metallischen Werkstoffen und von daher fast beliebig temperaturfest und da keine Reibungswärme erzeugt wird, können sie auch beliebig hohe Drehzahlen vertragen.Labyrinth seals improve the separation between gear and work space. By additionally blowing sealing gas into the space between the sealing rings (6 in FIG. 5), the contact of the pumped gas with the bearing can be completely prevented. In the single-flow machine in FIG. 6, the annular space between the rotor and the end face of the bearing base is suitable for blowing in sealing gas. This option is particularly important when pumping highly aggressive gases. Likewise, the diffusion of gear oil into the work area can be completely prevented by using sealing gas, so that the pump is also suitable for high-purity vacuum applications. Non-contact labyrinth seals are not subject to any wear, they are usually made of metallic materials and therefore almost any temperature-resistant and since no frictional heat is generated, they can also tolerate speeds of any number.
Es kann sich als sinnvoll erweisen, die Pumpe serienmäßig mit einem Anschluß für Sperrgas auszustatten.It can be useful to have the pump with a connection for Equip sealing gas.
Verringerung des Energieverbrauchs durch innere VerdichtungReduction of energy consumption through internal compression
Bei der ursprünglichen flüssigkeitsfördernden Schraubenspindelpumpe nach Fig. 1 sind die schraubenförmigen Aussparungen in den Rotoren über der gesamten Länge konstant und auch der Durchmesser der Rotoren ändert sich nicht. Diese Gestaltung hat zur Folge, daß das Hubvolumen pro Umdrehung an der Saugseite genauso groß ist wie an der Druckseite. Bei den für reine Flüssigkeitsförderung ausgelegten Pumpen ist das auch notwendig, da Flüssigkeiten inkompressibel sind. Bei gasfördernden Pumpen ist diese Gestaltung ungünstig, da Gase kompressibel sind. Wenn man auf die Kompression während des Fördervorgangs verzichtet und das unverdichtete Gas gegen die Druckseite ausschiebt, hat man eine sogenannte isochore Verdichtung, die energetisch umso ungünstiger, je höher das Verdichtungsverhältnis ist. Speziell bei Vakuumpumpen mit extrem hohen Kompressionsverhältnissen ist diese Art der Verdichtung enorm energieverschwendend und führt darüber hinaus zu einer unerwünscht starken Erwärmung der Rotoren.In the original liquid promotional screw pump according to Fig. 1, the helical recesses in the rotor over the entire length are constant and the diameter of the rotors does not change. The result of this design is that the stroke volume per revolution on the suction side is the same as on the pressure side. This is also necessary for pumps designed for pure liquid delivery, since liquids are incompressible. This design is unfavorable for gas-producing pumps, since gases are compressible. If you do without the compression during the conveying process and push the uncompressed gas against the pressure side, you have a so-called isochoric compression, which is energetically more unfavorable the higher the compression ratio. Especially with vacuum pumps with extremely high compression ratios, this type of compression is extremely energy-wasting and also leads to an undesirably high heating of the rotors.
Damit die Maschine energiesparend arbeiten kann und um eine hohe spezifische Saugleistung zu erreichen, wird die Gestaltung der Rotoren dahingehend geändert, daß das auslaßseitige Hubvolumen pro Umdrehung kleiner ist als das einlaßseitige. Das ist dadurch möglich, daß man die Steigung der Spindeln am druckseitigen Ende der Rotoren kleiner macht als am saugseitigen Ende.So that the machine can work in an energy-saving manner and with a high specific To achieve suction power, the design of the rotors is changed so that that the outlet-side stroke volume per revolution is smaller than the inlet-side. This is possible by adjusting the pitch of the spindles at the pressure end makes the rotors smaller than at the suction end.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man dem Rotor am druckseitigen Ende einen kleineren Durchmesser gibt als am saugseitigen. Dadurch greifen die Rotoren am unteren Ende weniger tief ineinander und die druckseitigen Arbeitsräume werden entsprechend kleiner als die saugseitigen.Another possibility is that the rotor at the pressure end gives a smaller diameter than on the suction side. As a result, the rotors engage at the lower end less deeply into each other and the pressure-side work spaces correspondingly smaller than the suction side.
Diese Lösung ist besonders vorteilhaft bei einflutigen Maschinen, da die Fläche, auf die die Druckdifferenz wirkt, sich mit dem verringerten Durchmesser deutlich verkleinert. Die auf die Lagerung wirkende Axialschubbelastung kann dadurch verringert werden.This solution is particularly advantageous in single-flow machines because of the area on the difference in pressure is evident with the reduced diameter downsized. As a result, the axial thrust load acting on the bearing can be reduced.
Durch diese Maßnahmen läßt sich der Energiebedarf entsprechend dem Verhältnis des druck- zum saugseitigen Hubvolumen verringern. D.h. wenn man z. B. das druckseitige Hubvolumen auf ein Drittel des saugseitigen reduziert, dann fällt der Leistungsbedarf dieser Vakuumpumpe im Enddruckbetrieb ebenfalls auf ein Drittel. Da Vakuumpumpen zum überwiegenden Teil ihrer Betriebsdauer im Bereich des Enddruckes betrieben werden, führt diese sogenannte Innere Verdichtung auf Dauer zu einer ganz erheblichen Energieersparnis.Through these measures, the energy requirement can be adjusted according to the ratio reduce the pressure to suction volume. I.e. if you e.g. B. that Displacement on the pressure side reduced to a third of the suction side, then the The power requirement of this vacuum pump in final pressure operation is also one third. Since vacuum pumps for the most part of their operating time in the range of Operated final pressure, this so-called internal compression leads in the long run to a very considerable energy saving.
In Fig. 2 und 5 sind Pumpen dargestellt, deren Innere Verdichtung durch kontinuierlich abnehmende Steigung erzeugt wird. Vorteilhaft ist hier der einfache Aufbau sowie die leichte Demontierbarkeit von einflutigen Maschinen, nachteilig ist der Umstand, daß aufgrund von Fertigungs- und Festigkeitsproblemen das maximal mögliche Verdichtungsverhältnis auf ca. 3 begrenzt ist. Fliegend gelagerte einflutige Maschinen mit konstantem Rotordurchmesser eignen sich daher für rauhe Einsatzbedingungen mit hohem Schmutzanfall.In FIGS. 2 and 5 pumps are shown, whose interior is generated by compression continuously decreasing slope. The simple construction and the ease of disassembly of single-flow machines are advantageous here, the disadvantage is the fact that the maximum possible compression ratio is limited to approx. 3 due to production and strength problems. Overhung single-flow machines with a constant rotor diameter are therefore suitable for harsh operating conditions with high levels of dirt.
Wenn es hingegen darauf ankommt, eine möglichst energiesparende und geräuscharme Pumpe zu bauen, empfiehlt sich eine Variante nach Fig. 6 mit gestuften Rotoren und einem hohen Verdichtungsverhältnis. Die Durchmesserstufung der Rotoren erlaubt ein beliebig hohes und frei wählbares Verdichtungsverhältnis, hat aber den Nachteil, daß die Demontage des Gehäuses nur in Verbindung mit Rotordemontage oder mit einem geteilten und somit aufwendigen Gehäuse möglich ist. Endsprechen diesen Eigenschaften eignen sich solche Maschinen eher für saubere physikalische Anwendungen, bei denen eine Reinigung nicht zu erwarten ist.If, on the other hand, it is important to build a pump that is as energy-saving and quiet as possible, a variant according to FIG. 6 with stepped rotors and a high compression ratio is recommended. The diameter gradation of the rotors allows an arbitrarily high and freely selectable compression ratio, but has the disadvantage that the disassembly of the housing is only possible in connection with rotor disassembly or with a divided and thus complex housing. According to these properties, such machines are more suitable for clean physical applications where cleaning is not expected.
Besonders günstig zur Optimierung des Kompressionsverhältnisses, des Energieverbrauchs und der Geräuschemission ist es, wenn man zusätzlich zu der Durchmesserabstufung eine Steigungsreduzierung an den Rotorabschnitten durchführt.Particularly favorable for optimizing the compression ratio, the Energy consumption and noise emissions is when you add to that  Gradation in diameter a reduction in pitch on the rotor sections carries out.
Während stufenweise Steigungs- und Durchmesseränderungen fertigungstechnisch problemlos zu bewältigen sind, stellen kontinuierliche Änderungen der Steigung und vor allem des Durchmessers eine erhebliche Herausforderung dar. Obwohl eine Maschine mit konischen Rotoren (kontinuierliche Durchmesserabnahme) und kontinuierlich abnehmender Steigung theoretisch optimal wäre, wird man in der Praxis Zugeständnisse an die Herstellbarkeit und die praktische Handhabung der Maschine machen müssen und sich eher für eine der oben beschriebenen Varianten entscheiden.During gradual changes in pitch and diameter in terms of production technology are easily manageable, make continuous changes in incline and especially the diameter is a considerable challenge. Although a Machine with conical rotors (continuous diameter decrease) and continuously decreasing gradient would be theoretically optimal, you will be in the Practice concessions on the manufacturability and practical handling of the Have to make a machine and opt for one of the variants described above decide.
Erwähnenswert ist auch, daß bei fliegend gelagerten Maschinen die Gestaltung der Rotoren Einfluß auf die Konstruktion der Lagerung haben kann. In Fig. 8 ist aufgrund der hohen Durchdringung der Rotoren der radiale Einbauraum sehr begrenzt. Hier kann die Verwendung eines Gleitlagers vorteilhaft sein, während die Ausführung mit gestuftem Rotor (Fig. 9) ausreichend Platz für Wälzlager bietet.It is also worth mentioning that the design of the rotors can have an influence on the construction of the bearing in machines with overhung bearings. In Fig. 8, the radial installation space is very limited due to the high penetration of the rotors. The use of a plain bearing can be advantageous here, while the version with a stepped rotor ( FIG. 9) offers sufficient space for rolling bearings.
Damit gleitgelagerte Maschinen sicher anfahren können, ist in Fig. 8 der Ölkreislauf unterteilt in einen Teilkreislauf mit erster Priorität und einen mit zweiter. Bei niedrigen Drehzahlen wird zuerst das Gleitlager (26) mit Priorität versorgt und erst wenn Druck und Förderstrom ein gewisses Maß erreicht haben, öffnet das Druckbegrenzungsventil (27) und gibt den Niederdruck-Kreislauf für die Gehäusekühlung frei, die ja auch erst bei höheren Drehzahlen nötig ist.In order that machines with sliding bearings can start up safely, the oil circuit in FIG. 8 is divided into a partial circuit with first priority and one with a second one. At low speeds, the plain bearing ( 26 ) is given priority and only when the pressure and flow rate have reached a certain level does the pressure relief valve ( 27 ) open and release the low-pressure circuit for cooling the housing, which is only necessary at higher speeds is.

Claims (23)

1. Kompressor oder Vakuumpumpe in liegender Anordnung, mit zwei waagerechten parallelen Achsen und schraubenspindelförmigen Rotoren, die durch Zahnräder mechanisch synchronisiert sind und deren auslaßseitiges Hubvolumen kleiner als das einlaßseitige ist, dadurch gekennzeichnet daß wenigstens ein Öl- oder Kühlmittelkreislauf installiert ist, der durch eine druckerzeugende Pumpe angetrieben oder in Gang gehalten wird.1. Compressor or vacuum pump in a horizontal arrangement, with two horizontal parallel axes and screw-shaped rotors, which are mechanically synchronized by gears and whose outlet-side displacement is smaller than the inlet-side, characterized in that at least one oil or coolant circuit is installed, which by a pressure-generating Pump is driven or kept running.
2. Vakuumpumpe oder Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölumlauf ein mehrfaches der Menge beträgt, die für reine Schmierzwecke nötig wäre und bei dem eine Aufstellung in einen kleinen Teilstrom zu Schmierzwecken und einen großen Teilstrom zu Kühlzwecken erfolgt.2. Vacuum pump or compressor according to claim 1, characterized in that the oil circulation is a multiple of the amount required for pure lubrication purposes would be and in which a setup in a small sub-stream for lubrication purposes and a large partial flow takes place for cooling purposes.
3. Vakuumpumpe oder Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder oder sogar zwei Ölkreisläufe installiert werden, die durch eine oder zwei Ölpumpen angetrieben werden, wobei ein Kreislauf (bzw. ein Teilkreislauf) mit höherem Druck und niedrigem Volumenstrom betrieben werden kann und ein zweiter Kreislauf (bzw. der Restkreislauf) mit niedrigem Druck und höherem Volumenstrom und daß durch diese Kreisläufe mehrere Aufgaben gleichzeitig wahrgenommen werden.3. Vacuum pump or compressor according to claim 1 or 2, characterized in that one or even two oil circuits installed by one or two Oil pumps are driven, with a circuit (or a partial circuit) with higher pressure and low volume flow can be operated and a second Circuit (or the residual circuit) with low pressure and higher volume flow and that these cycles perform several tasks simultaneously become.
4. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerrotoren zweiflutig ausgeführt und beidseitig gelagert sind.4. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the displacement rotors are double-flow and are supported on both sides.
5. Vakuumpumpe oder Kompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerrotoren hohlgebohrt sind und daß in die Bohrungen unter ausreichendem Druck Öl oder ein Kühlmittel oder eine Kombination von beidem eingespritzt wird.5. Vacuum pump or compressor according to claim 4, characterized in that the displacement rotors are drilled hollow and that in the holes below sufficient pressure oil or a coolant, or a combination of both is injected.
6. Kompressor oder Vakuumpumpe nach Anspruch 4 und 5 in liegender Anordnung, mit zwei waagerechten parallelen Achsen und schraubenspindelförmigen Rotoren (deren auslaßseitiges Hubvolumen evt. kleiner als das einlaßseitige ist), jedoch mit elektronischer Synchronisation, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor am verlängerten Wellenende einen eigenen Motor hat, daß die Kugellager gekapselt und fettgeschmiert sind und daß in die hohlgebohrten Rotoren eine reine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise mit niedriger Temperatur oder mit niedrigem Siedepunkt eingespritzt wird.6. compressor or vacuum pump according to claim 4 and 5 in a lying arrangement, with two horizontal parallel axes and screw-shaped rotors (whose displacement volume on the outlet side may be smaller than that on the inlet side), but with electronic synchronization, characterized in that each rotor at the extended shaft end has its own motor that the Ball bearings are encapsulated and greased and that in the hollow drilled rotors a pure cooling liquid, preferably with a low temperature or with a low temperature Boiling point is injected.
7. Vakuumpumpe oder Kompressor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerrotoren einflutig ausgeführt und fliegend gelagert sind.7. Vacuum pump or compressor according to claim 1 to 3, characterized in that the displacement rotors are single-flow and have overhung bearings.
8. Vakuumpumpe oder Kompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein hydraulischer Axialschubausgleich vorhanden ist, der gegebenenfalls über einen Druckregler angesteuert wird, welcher als Eingangswert die Druckdifferenz zwischen Ansaugdruck und Auslaßdruck erhält.8. vacuum pump or compressor according to claim 7, characterized in that  A hydraulic axial thrust compensation is available, which if necessary via a Pressure controller is controlled, which as the input value the pressure difference between Receives suction pressure and outlet pressure.
9. Vakuumpumpe oder Kompressor Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das rotorseitige Lager als ölgeschmiertes Gleitlager ausgeführt ist.9. Vacuum pump or compressor claim 7 or 8, characterized in that the rotor-side bearing is designed as an oil-lubricated plain bearing.
10. Vakuumpumpe oder Kompressor nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen Rotorausdrehung und Lagersockel mit Gewindegängen versehen ist, die so angeordnet sind, daß auf Schmutz und Flüssigkeiten zurück Richtung Arbeitsraum/Auspuff gefördert werden.10. Vacuum pump or compressor according to claim 7 to 9, characterized in that the gap between the rotor rotation and the bearing base is provided with threads which are arranged so that dirt and liquids return to the direction Work space / exhaust are promoted.
11. Vakuumpumpe oder Kompressor nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen Rotorwelle und Endkante des Lagersockels mit Gewindegängen versehen ist, die so angeordnet sind, daß Öl oder Ölnebel zurück in den Getrieberaum gefördert werden.11. Vacuum pump or compressor according to claim 7 to 10, characterized in that the gap between the rotor shaft and the end edge of the bearing base with threads is provided, which are arranged so that oil or oil mist back into the Gearbox are promoted.
12. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Adapter für den nachträglichen Anbau von Öl/Luft- oder Öl/Wasser-Kühlern sowie für Filter und Feinstfilter im Haupt- und Nebenstrombetrieb vorhanden ist und daß dieser Adapter gegebenenfalls mit einem Stromanschluß für den Antrieb eines Kühlventilator ausgestattet ist.12. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that an adapter for retrofitting oil / air or oil / water coolers as well as for filters and ultra-fine filters in main and sidestream operation and that this adapter may have a power connector for driving a Cooling fan is equipped.
13. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigungen und/oder die Durchmesser der Rotoren an der Auslaßseite kleiner sind als an der Einlaßseite.13. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the slopes and / or the diameter of the rotors on the outlet side are smaller are as on the inlet side.
14. Vakuumpumpe oder Kompressor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen von Steigung und/oder Durchmesser kontinuierlich oder in Stufen erfolgen.14. Vacuum pump or compressor according to claim 13, characterized in that the changes in pitch and / or diameter continuously or in steps respectively.
15. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Bereichen großen Hubvolumens und kleinen Hubvolumens ein Überdruckventil angebracht ist, welches bei geringen Druckverhältnissen die von der Saugseite geförderte Überschußmenge abläßt.15. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that between the areas of large stroke volume and small stroke volume Pressure relief valve is attached, which at low pressure ratios discharged excess quantity discharged on the suction side.
16. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Motoren über Frequenzumrichter gespeist werden, welche mit verschiedenen Spannungen und Frequenzen betrieben werden können und welche über eine manuelle und eine elektrische/elektronische Drehzahleinstellung verfügen.16. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the motor or motors are fed via frequency converters, which with different voltages and frequencies can be operated and which have a manual and an electrical / electronic speed setting.
17. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Geräuschdämpfung ein oder mehrere Verschlußorgane angebracht sind, welche nur so viel Querschnitt freigeben, wie zum Abströmen der geförderten Gasmenge nötig ist.17. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that  for noise reduction one or more closure members are attached, which Only release as much cross-section as for the outflow of the pumped gas quantity is necessary.
18. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfüllung von besonderen Geräuschanforderungen der Auslaßstutzen abnehmbar ist und an dessen Stelle ein speziell angepaßter Anbauschalldämpfer installiert werden kann.18. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that to meet special noise requirements of the outlet nozzle is removable and in its place a specially adapted mounting silencer can be installed.
19. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Geräuschdämpfung und/oder zur Temperatursenkung gekühltes Gas oder Luft in genau dosierter Menge und Position in die noch abgeschlossenen Arbeitsräume eingelassen wird (Voreinlaßkühlung).19. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that to reduce noise and / or to lower the temperature of cooled gas or air precisely dosed quantity and position in the still closed work rooms is let in (pre-inlet cooling).
20. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialspalt zwischen Gehäuse und Rotoren in betriebswarmem Zustand kurz vor der Auslaßseite zunimmt.20. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the radial gap between the housing and the rotors is short when hot increases in front of the outlet side.
21. Vakuumpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ansaugbereich ein Saugstutzenventil eingebaut ist, welches beim Ausschalten der Maschine sofort anspricht und beim Einschalten entweder mit Zeitverzögerung oder drehzahlabhängig geöffnet wird.21. Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that In the intake area, a suction port valve is installed, which at Switching off the machine responds immediately and when switching on either with Time delay or speed-dependent is opened.
22. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Getrieberäume gegenüber dem Arbeitsraum mit berührungsfreien Labyrinthdichtungen abgetrennt ist.22. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the gearbox (s) opposite the work area with non-contact Labyrinth seals is separated.
23. Vakuumpumpe oder Kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperrgaszufuhr in den Trennbereich zwischen Arbeitsraum und dem oder den Getrieberäumen vorgesehen ist.23. Vacuum pump or compressor according to one of the preceding claims, characterized in that a sealing gas supply in the separation area between the work area and the Gear room is provided.
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