DE202017005336U1 - screw rotor - Google Patents
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Abstract
Schraubenrotor für Schraubenvakuumpumpen,mit einer Rotorwelle (10)mindestens zwei mit der Rotorwelle (10) verbundenen Verdrängungselementen (12, 14) mit jeweils zumindest einer schraubenlinienförmigen Ausnehmung (26, 34),wobei ein saugseitiges Verdrängungselement (12) sich in Förderrichtung (22) verjüngend ausgebildet ist,wobei ein druckseitiges Verdrängungselement (14) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.Screw rotor for screw vacuum pumps, having a rotor shaft (10) at least two displacement elements (12, 14) connected to the rotor shaft (10), each having at least one helical recess (26, 34), wherein a suction-side displacement element (12) in the conveying direction (22) is formed tapered, wherein a pressure-side displacement element (14) is formed substantially cylindrical.
Description
Die Erfindung betrifft einen Schraubenrotor für eine Schraubenvakuumpumpe.The invention relates to a screw rotor for a screw vacuum pump.
Schraubenvakuumpumpen weisen in einem Gehäuse einen Schöpfraum auf, in dem zwei Schraubenrotoren angeordnet sind. Jeder Schraubenrotor weist mindestens ein Verdrängungselement mit schraubenlinienförmiger Ausnehmung auf. Hierdurch ist eine Vielzahl von Windungen ausgebildet. Bei Schraubvakuumpumpen besteht stets das Ziel ein möglichst hohes inneres Volumenverhältnis zu erzielen. Das innere Volumenverhältnis ist das Verhältnis des Volumens am Einlass der Vakuumpumpe zum Volumen am Auslass der Vakuumpumpe. Schraubvakuumpumpen der ersten Generation wie beispielsweise der Pumpen LEYBOLD Screwline oder BUSCH Cobra weisen ein inneres Volumenverhältnis vom ca.
Zur Erzielung niedriger Drücke am Pumpeneinlass ist ein hoher Energieeinsatz erforderlich bzw. der Stromverbrauch entsprechender Vakuumpumpe ist sehr hoch.To achieve low pressures at the pump inlet a high energy input is required or the power consumption of the corresponding vacuum pump is very high.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schraubenrotor für Schraubenvakuumpumpen zu schaffen, mit dem der Energieverbrauch reduziert werden kann.The object of the invention is to provide a screw rotor for screw vacuum pumps, with which the power consumption can be reduced.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Schraubenrotor für Schraubenvakuumpumpen gemäß Anspruch 1.The object is achieved according to the invention by a screw rotor for screw vacuum pumps according to claim 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Reduzierung des Energieverbrauchs, durch Erhöhung des inneren Volumenverhältnisses möglich ist.The invention is based on the finding that a reduction in energy consumption, by increasing the internal volume ratio is possible.
Für ein hohes inneres Volumenverhältnisses müssen die Auslassstufen der Pumpe ein kleines Fördervolumen aufweisen. Kleinen Auslassstufen weisen allerdings ein ungünstiges Verhältnis von Transportstrom zur Rückströmung auf, d.h. sie sind relativ undicht. Damit lässt sich mit jeder einzelnen Stufen nur ein relativ geringer Druckaufbau erzeugen. Um dennoch den Großteil der Verdichtung in den kleinen Auslasstufen realisieren zu können, wird eine hohe Anzahl an Auslasswindungen erforderlich.For a high internal volume ratio, the outlet stages of the pump must have a small delivery volume. However, small outlet stages have an unfavorable ratio of transport stream to backflow, i. they are relatively leaky. This means that only a relatively small increase in pressure can be generated with each individual stage. Nevertheless, in order to realize the majority of the compression in the small outlet stages, a high number of outlet turns is required.
Grundsätzlich sind zwei Bauformen von Schraubenrotoren bekannt. Hierbei handelt es sich um Schraubenrotoren mit einer zylindrischen oder einer konischen Außenabmessung.Basically, two types of screw rotors are known. These are screw rotors with a cylindrical or a conical outer dimension.
Bei zylindrischen Rotoren muss bei hohen inneren Volumenverhältnissen die Zahnlückenweite am Auslass klein gewählt werden. Dadurch wird die Zahnhöhe im Vergleich zur Zahnlückenweite relativ groß, was in der Fertigung nur mit hohem Aufwand und hohen Kosten realisiert werden kann. Allerdings ist es bei diesem Rotorkonzept problemlos möglich eine hohe Anzahl an kleinen Auslassstufen in den Rotor zu integrieren (sofern das Verhältnis Zahnhöhe/Zahnlückenweite eine wirtschaftliche Fertigung zulässt). Damit wird das geometrisch eingebaute Volumenverhältnis auch thermodynamisch wirksam.For cylindrical rotors, the gap at the outlet must be small at high internal volume ratios. As a result, the tooth height is relatively large compared to the tooth gap width, which can be realized in the production only with great effort and high costs. However, with this rotor concept, it is easily possible to integrate a large number of small outlet stages into the rotor (provided that the ratio of tooth height to tooth gap allows economic production). Thus, the geometrically incorporated volume ratio is also thermodynamically effective.
Bei konischen Rotoren hingegen nimmt das Kammervolumen durch die sich verjüngende Zahnhöhe in Richtung Auslass immer weiter ab, so dass geringe Auslassvolumina mit einem fertigungstechnisch günstigen Verhältnis von Zahnhöhe zu Zahnlückenweite herstellbar sind. Allerdings ist es hierbei schwierig mehrere Stufen mit dem geringen Fördervolumen herzustellen, da durch den Konus die Zahnhöhe immer weiter abnimmt. Hiermit sind zwar hohe geometrische Volumenverhältnisse denkbar, die aber kaum die gewünschte Wirkung zeigen, da infolge der Spaltrückströmungen die Verdichtung in den größeren Stufen stattfindet.In the case of conical rotors, on the other hand, the chamber volume continues to decrease due to the tapering tooth height in the direction of the outlet, so that small outlet volumes can be produced with a production-favorable ratio of tooth height to tooth gap width. However, it is difficult in this case to produce several stages with the low delivery volume, since the tooth height continues to decrease due to the cone. Although this high geometric volume ratios are conceivable, but hardly show the desired effect, since due to the gap backflows, the compression takes place in the larger stages.
Ferner ist es bekannt gestufte Rotoren mit zwei zylindrischen Verdrängungselementen mit unterschiedlichem Durchmesser auszugestalten. Ein großer Nachteil dieser gestuften Rotoren besteht jedoch in dem unstetigen Übergang der in der Fertigung äußerst schwierig ist. Gestufte Rotoren sind im Markt daher nicht üblich.Furthermore, it is known to design stepped rotors with two cylindrical displacement elements with different diameters. A major disadvantage of these stepped rotors, however, is the discontinuous transition which is extremely difficult in manufacturing. Stepped rotors are therefore not common in the market.
Der erfindungsgemäße Schraubenrotor weist eine Rotorwelle auf, die mit mindestens zwei Verdrängungselementen verbunden ist, wobei jedes Verdrängungselement jeweils zumindest eine schraubenlinienförmige Ausnehmung aufweist. Erfindungsgemäß ist ein saugseitiges, das heißt in Richtung des Pumpeneinlasses insbesondere am Pumpeneinlass angeordnetes Verdrängungselement sich in Förderrichtung verjüngend ausgebildet. Das Verdrängungselement ist derart angeordnet, dass es sich in Förderrichtung, das heißt in Richtung des Pumpenauslasses verjüngt. Besonders bevorzugt ist es, dass das saugseitige Verdrängungselement eine Außenkontur aufweist, die in Förderrichtung stetig abnehmend ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist eine konische, sich in Förderrichtung verjüngende Ausgestaltung des saugseitigen Verdrängungselements. Vorzugsweise liegt der Konuswinkel hierbei einem Bereich von 2° bis 8°.The screw rotor according to the invention has a rotor shaft which is connected to at least two displacement elements, wherein each displacement element in each case has at least one helical recess. According to the invention, a suction-side, that is arranged in the direction of the pump inlet in particular at the pump inlet displacement element is formed tapering in the conveying direction. The displacement element is arranged such that it tapers in the conveying direction, ie in the direction of the pump outlet. It is particularly preferred that the suction-side displacement element has an outer contour which is formed continuously decreasing in the conveying direction. Particularly preferred is a conical, tapered in the conveying direction embodiment of the suction-side displacement element. Preferably, the cone angle is in this case a range of 2 ° to 8 °.
Ferner ist ein druckseitiges, das heißt in Richtung des Pumpenauslasses insbesondere am Pumpenauslass vorgesehenes Verdrängungselement im wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Das druckseitige Verdrängungselement kann auch leicht konisch oder in Förderrichtung leicht stetig abnehmend ausgebildet sein. Das im wesentlichen zylindrisch ausgebildete druckseitige Verdrängungselement weist insbesondere ein Durchmesserverhältnis des saugseitigen, in Richtung des Pumpeneinlass weisenden Durchmessers zum druckseitigen, in Richtung des Pumpenauslass weisenden Durchmessers von 1,1 bis 1,0 auf.Furthermore, a pressure-side, that is provided in the direction of the pump outlet in particular at the pump outlet displacement element is formed substantially cylindrical. The pressure-side displacement element can also be slightly conical or be formed slightly steadily decreasing in the conveying direction. The substantially cylindrically shaped pressure-side displacement element has in particular a diameter ratio of the suction-side, pointing in the direction of the pump inlet diameter to the pressure-side, pointing in the direction of the pump outlet diameter of 1.1 to 1.0.
Gegebenenfalls können noch weitere zylindrische und/oder konische Verdrängungselemente auf der Rotorwelle angeordnet sein. Erfindungsgemäß wesentlich ist die Kombination eines saugseitig sich verjüngenden, insbesondere konischen Verdrängungselements mit einem druckseitig, im Wesentlichen zylindrischen Verdrängungselement. Hierdurch ist es möglich, die Vorteile beider Schraubenrotorbauformen zu vereinen. Durch das vorzugsweise konisch ausgebildete saugseitige Verdrängungselement wird die Zahnhöhe reduziert, sodass im sich in Strömungs- beziehungsweise Förderrichtung anschließenden, im wesentlichen zylindrischen Verdrängungselement eine große Anzahl an Auslasswindungen mit kleinen Fördervolumina bei einem geringen Verhältnis von Zahnhöhe zu Zahnweite realisiert werden kann. Hierdurch ist es in besonders bevorzugter Ausführungsform möglich, innere Volumenverhältnisse größer
Wenngleich auch mehr als zwei Verdrängungselemente vorgesehen sein können, sind in besonders bevorzugter Ausführungsform ein konisches saugseitig angeordnetes Verdrängungselement und ein zylindrisches druckseitig angeordnetes Verdrängungselement vorgesehen. Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand dieser bevorzugten Ausführungsform beschrieben, wobei jeweils weitere Verdrängungselemente vorgesehen sein können.Although more than two displacement elements can be provided, a conical suction-side arranged displacement element and a cylindrical pressure side arranged displacement element are provided in a particularly preferred embodiment. In the following, the invention will be described with reference to this preferred embodiment, wherein in each case further displacement elements can be provided.
Bevorzugt ist es, dass die benachbarte Verdrängungselemente an den aufeinander zu gerichteten Stirnseiten insbesondere aneinander anliegen bzw. sich berühren und im Wesentlichen denselben Durchmesser aufweisen. Hierdurch ist ein im Wesentlichen stufenfreier Übergang realisiert. Beim Vorsehen von zwei Verdrängungselementen verringert sich somit ausgehend von dem Pumpeneinlass der Durchmesser des konischen Verdrängungselements bis auf einen Durchmesser, der dem Durchmesser des zylindrischen Verdrängungselements entspricht.It is preferred that the adjacent displacement elements abut against each other at the end faces directed towards one another, in particular, or touch each other and have substantially the same diameter. As a result, a substantially stepless transition is realized. When two displacement elements are provided, the diameter of the conical displacement element thus decreases, starting from the pump inlet, to a diameter which corresponds to the diameter of the cylindrical displacement element.
Bevorzugt ist es ferner, dass der Durchmesser des zylindrischen Verdrängungselements um 5 - 35 %, vorzugsweise 10 - 25 % kleiner ist, als der saugseitige Durchmesser des konischen Verdrängungselements, das heißt insbesondere der am Einlass der Pumpe vorgesehene Durchmesser des konischen Verdrängungselements.It is furthermore preferred that the diameter of the cylindrical displacement element is smaller by 5 to 35%, preferably 10 to 25%, than the suction-side diameter of the conical displacement element, that is to say in particular the diameter of the conical displacement element provided at the inlet of the pump.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Längen und Durchmesser des konischen sowie des zylindrischen Verdrängungselements derart gewählt, dass ein Großteil der Verdichtung bei niedrigem Ansaugdruck durch das zylindrische Verdrängungselement erfolgt. Insbesondere erfolgt mehr als 70 Prozent der Verdichtungsleistung durch das zylindrische Verdrängungselement.In a particularly preferred embodiment, the lengths and diameters of the conical and the cylindrical displacement element are selected such that a large part of the compression takes place at low suction pressure through the cylindrical displacement element. In particular, more than 70 percent of the compaction performance is performed by the cylindrical displacement element.
Insofern ist es des Weiteren bevorzugt, dass das konische Verdrängungselement ein inneres Volumenverhältnis von mehr als
Das zylindrische Verdrängungselement weist in bevorzugter Ausführungsform ein inneres Volumenverhältnis von mehr als
In dem Übergangsbereich zwischen dem insbesondere konischen Verdrängungselement und dem im Wesentlichen zylindrischen Verdrängungselement muss kein stetiger Übergang der Steigung der Windungen vorgesehen sein. Es ist auch ein Sprung in der Steigung der Windungen möglich, sodass hierdurch eine innere Verdichtung erzeugt wird. Die innere Verdichtung kann somit bereits im Übergang und/oder im zylindrischen Teil erzeugt werden.In the transition region between the particular conical displacement element and the substantially cylindrical displacement element, no continuous transition of the pitch of the windings must be provided. It is also possible a jump in the pitch of the turns, so that thereby an internal compression is generated. The internal compression can thus be generated already in the transition and / or in the cylindrical part.
Zur weiteren Verbesserung ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Verhältnis der Zahnhöhe zur Zahnbreite im Auslassbereich der Vakuumpumpe kleiner als
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis des Außendurchmessers des Verdrängungselements am Pumpenauslass zum Außendurchmesser des Verdrängungselements am Pumpeneinlass weniger als 0,9, insbesondere weniger als 0,85.In a further preferred embodiment, the ratio of the outer diameter of the displacement element at the pump outlet to the outer diameter of the displacement element at the pump inlet is less than 0.9, in particular less than 0.85.
Desweiteren ist es besonders bevorzugt, dass der Durchmesser des sich verjüngenden Verdrängungselements im Bereich des Pumpeneinlasses
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Windungsanzahl des zylindrischen Verdrängungselements mindestens 6 bzw. vorzugsweise mindestens
Das insbesondere konische saugseitige Verdrängungselement weist in bevorzugter Ausführungsform
Die einzelnen Verdrängungselemente sind vorzugsweise als gesonderte Bauteile ausgebildet und beispielsweise durch Aufpressen mit der Rotorwelle verbunden. Es ist jedoch auch möglich, dass einzelne oder alle Verbindungselemente einstückig mit der Rotorwelle ausgebildet sind.The individual displacement elements are preferably formed as separate components and connected, for example by pressing with the rotor shaft. However, it is also possible that individual or all connecting elements are integrally formed with the rotor shaft.
Die Rotorwelle weist ferner vorzugsweise an beiden Enden zylindrische Ansätze auf, die als Lageraufnahmen dienen. Es ist jedoch auch möglich den Schraubenrotor fliegend, d.h. einseitig zu lagern.The rotor shaft further preferably has at both ends cylindrical lugs, which serve as a bearing mounts. However, it is also possible to fly the screw rotor, i. one-sided store.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Schraubenrotor aus den bekannten Materialien wie Stahl, Gusseisen oder Aluminium hergestellt sein, wobei die Vorteile der Erfindung insbesondere bei Schraubenrotoren aus Stahl oder Gusseisen realisierbar sind.In principle, the screw rotor according to the invention can be produced from the known materials, such as steel, cast iron or aluminum, the advantages of the invention being able to be realized in particular with screw rotors made of steel or cast iron.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein weiteres Verdrängungselement saugseitig vorgesehen. Das weitere Verdrängungselement ist somit dem sich in Förderrichtung verjüngenden insbesondere konisch ausgebildeten Verdrängungselement vorgelagert. Bei dem weiteren Verdrängungselement handelt es sich um ein vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch ausgebildetes Verdrängungselement. Bevorzugt ist es hierbei, dass die Steigung der Windungen dieses weiteren Verdrängungselements in Förderrichtung abnehmen.In a preferred embodiment of the invention, a further displacement element is provided on the suction side. The further displacement element is thus preceded by the tapered in the conveying direction in particular conical displacement element. The further displacement element is preferably a displacement element which is likewise essentially cylindrical. It is preferred here that the pitch of the turns of this further displacement element decrease in the conveying direction.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schraubenvakuumpumpe mit zwei in einem durch ein Gehäuse ausgebildeten Schöpfraum angeordneten Schraubenrotoren. Die beiden Schraubenrotoren sind hierbei, wie vorstehend beschrieben, erfindungsgemäß ausgebildet bzw. weitergebildet.Furthermore, the invention relates to a screw vacuum pump having two screw rotors arranged in a pump chamber formed by a housing. As described above, the two screw rotors are designed or developed according to the invention.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings.
Die Fig. zeigt in schematischer Seitenansicht eine Ausführungsform eines Schraubenrotors gemäß der Erfindung.The FIGURE shows a schematic side view of an embodiment of a screw rotor according to the invention.
Der dargestellte Schraubenrotor weist eine Rotorwelle
Das in der Fig. rechte Verdrängungselement
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem nur zwei Verdrängungselemente
Das zylindrische Verdrängungselement
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |