DE60317659T2

DE60317659T2 - Vakuumpumpe und verfahren zur erzeugung von unterdruck

Info

Publication number: DE60317659T2
Application number: DE60317659T
Authority: DE
Inventors: Peter Tell
Original assignee: Piab AB
Current assignee: Piab AB
Priority date: 2002-05-03
Filing date: 2003-04-29
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: JP4216801B2; KR20040106459A; SE0201335D0; DE60317659D1; BR0309677A; EP1502029B1; SE0201335L; SE519647C2; WO2003093678A1; AU2003230499A1; ES2294278T3; JP2005524796A; EP1502029A1; US20050232783A1; US7452191B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe zur Erzeugung von Unterdruck oder Vakuum, wobei die Pumpe eine Pumpe vom Schraubenspindel-Typ in Verbindung mit einem Ejektor umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bereitstellung von Unterdruck in einem industriellen Verfahren.
HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK
Vakuumpumpen vom Schraubenspindel-Typ sind bereits bekannt, z. B. aus der SE 0002129-5 (Svenska Rotor Maskiner AB) und aus der US-A-3 265 293 . Schraubenspindelpumpen dieser Art umfassen einen Kompressionsbereich, worin in einander greifende Rotorkörper zur Kompression eines Gases, das zwischen die Rotorkörper eingezogen wird, rotieren. Der Kompressionsbereich wird durch einen Expansionsbereich angetrieben, der in einander greifende Rotorkörper aufweist, die durch die Expansion eines Antriebsgases, wie z. B. Pressluft, das in den Expansionsbereich eingeführt wird, dazu veranlasst werden, zu rotieren.
Durch Druckluft-betriebene Vakuumpumpen vom Ejektor-Typ zur Erzeugung eines Unterdrucks sind z. B. bereits aus SE 9800943-4 (PIAB AB) bekannt. Die Ejektorpumpe wird durch Druckluft angetrieben, die durch eine Anzahl von hinter einander angeordneten Düsen beschleunigt wird. Um den Druckluftstrahl wird zwischen den Düsen ein Druckabfall ausgebildet und verwendet, um die umgebende Luft zu evakuieren, die durch Öffnungen in der Ejektorwand gezogen wird und vom Strahl eingefangen wird.
Diese zwei Arten von Pumpen weisen verschiedene Betriebscharakteristika auf. In diesem Zusammenhang ist der Ejektor durch einen schnellen anfänglichen Effekt innerhalb eines oberen Druckbereichs unter Atmosphärendruck charakterisiert, während die Schraubenspindelpumpe durch eine höhere Effizienz innerhalb eines niedrigeren Druckbereichs charakterisiert ist. Die Schraubenspindelpumpe ist auch durch einen beträchtlichen Temperaturanstieg im komprimierten Gas oder Luft nach Auslass aus dem Kompressionsbereich der Schraubenspindelpumpe charakterisiert.
In Industrieanlagen, die auf Vakuumbetrieb angewiesen sind, besteht das Bedürfnis, die zur Evakuierung eines Raums, wie z. B. dem Luftvolumen, das unter einer Saugkammer eingeschlossen ist, erforderlichen Wiederholungen zu reduzieren. Eine Methode zur Befriedigung dieses Wunsches ist es, die Produktion von Unterdruck zu dezentralisieren, indem man die Vakuumquellen in der Nähe der Vakuumverbraucher positioniert, und so lange Wege zur Verteilung von Unterdruck und Verringerung des Gesamtvolumens von zu evakuierender Luft vermeidet. Bei bestimmten Anwendungen, die durch Unterdrück betrieben werden, kann jedoch die erhöhte Temperatur in der komprimierten Auslassluft der Schraubenspindelpumpe eine freie Dezentralisierung der Vakuumquellen blockieren. Dies trifft z. B. in der pharmazeutischen und Nahrungsmittelindustrie sowie in der Verpackungsindustrie zu.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, dem vorstehenden Bedürfnis zu entsprechen, und die vorstehend angesprochenen Probleme durch Bereitstellen einer Vakuumpumpe, die eine Schraubenspindelpumpe ver bunden mit einem Ejektor aufweist, wie im anliegenden Vorrichtungsanspruch 1 und anliegendem Verfahrensanspruch 8 definiert, zu lösen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt eine Vakuumpumpe bereit, die eine Schraubenspindelpumpe mit einem Kompressionsbereich und einem Expansionsbereich umfasst, wobei der Auslass aus dem Kompressionsbereich mit mindestens einem Ejektor zum Ablassen von komprimiertem Gas durch den Ejektor in Verbindung steht, und worin der Expansionsbereich über eine erste Ventileinrichtung mit einer Quelle für Antriebsgas verbunden werden kann, um die Schraubenspindelpumpe und den Ejektor parallel zu betreiben.
Das Ventil ist vorzugsweise so angeordnet, um die Schraubenspindelpumpe mit der gleichen Quelle für Antriebsgas, die den Ejektor betreibt, zu verbinden, und das Ventil wird zum Betreiben der Schraubenspindelpumpe in Reaktion auf einen durch den Ejektor ausgebildeten Unterdruck geöffnet.
Zusätzlich kann eine zweite Ventileinrichtung vorgesehen sein, um eine Evakuierverbindung zum Ejektor zu schließen, wenn die erste Ventileinrichtung geöffnet ist, um die Schraubenspindelpumpe anzutreiben. Vorzugsweise steht der Expansionsbereich der Schraubenspindelpumpe mit dem Auslassbereich des Ejektors in Verbindung, um die Auslassgase aus dem Ejektor mit Antriebsgas, das durch die Schraubenspindelpumpe entspannt wird, zu vermischen.
Bereitgestellt wird auch ein Verfahren zur Versorgung eines industriellen Verfahrens mit Unterdruck, worin zuerst mindestens ein Ejektor verwendet wird, um den Druck auf ein vorbestimmtes niedrigeres Niveau zu verringern, von wo aus der Druck mit Hilfe einer Schraubenspindelpumpe, die so angeordnet ist, um durch und parallel mit dem Ejektor zu arbeiten, weiter vermindert wird.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile sind in den Unteransprüchen definiert.
ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend weiter erläutert, wobei Bezug auf die anliegenden Zeichnungen genommen wird, worin bedeuten:
1 ein Fließschema und -diagramm, das eine typische Anordnung in einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe zeigt, und
2 ist ein Ausführungsbeispiel, das die erfinderische Anordnung der 1, realisiert durch den Verbund einer Schraubenspindelpumpe und eines Ejektors in einer Pumpenstruktur, zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist schematisch eine Vakuumpumpe dargestellt, die eine Schraubenspindelpumpe 2 in Verbund mit mindestens einem Ejektor 1 zeigt. Der Ejektor 1 kann z. B. ein Mehrstufen-Ejektor sein, der durch Druckluft aus einer Hochdruckquelle P über die Leitung 3 betrieben wird. Durch Entspannung durch die Düsen des Ejektors erzeugt die Druckluft oder ein anderes Antriebsgas einen Unterdruck, der verursacht, dass sich Klappenventile in den Ejektoröffnungen öffnen und mit einer Evakuierungskammer über eine Leitung 4 in Verbindung stehen. Das Antriebsgas und das evakuierte Gas oder Luft werden aus der Ejektoröffnung, wie durch den Pfeil p veranschaulicht, abgeführt.
Von einem vorbestimmten Druckniveau unterhalb von Atmosphärendruck ausgehend, ist die Schraubenspindelpumpe 2 vorgesehen, um parallel mit dem Ejektor 1 zu arbeiten. Für diesen Zweck ist ein elektrisch betriebenes Druckluftventil 5 angeordnet, um Antriebsgas zur Schraubenspindelpumpe über eine Leitung 6 zu liefern, wenn der Druck in der evakuierten Kammer V auf ein vorbestimmtes niedrigeres Niveau reduziert ist, wie z. B. 300 mbar, verringert von einem Atmosphärendruck von ca. 1000 mbar. Ein elektrisch oder Vakuum-betriebenes Ventil oder ein Einwegventil können gleichzeitig betrieben werden, um die direkte Verbindung über die Leitung 4 zwischen dem Ejektor und der evakuierten Kammer V zu schließen. Vorteilhafterweise wird ein Vakuumrelais, in 1 nicht dargestellt, angeordnet, um den Druck in der evakuierten Kammer V zu überwachen, um das Ventil/die Ventile zu steuern.
Die Schraubenspindelpumpe 2 umfasst einen Expansionsbereich 7, der in einander wirkende Rotoren aufweist, die durch das entspannende Antriebsgas angetrieben werden. Der Entspannungsbereich 7 betreibt einen Kompressionsbereich 8, der in einander wirkende Rotoren aufweist, der mit der evakuierten Kammer V über eine Einlassöffnung 9 in Verbindung steht und mit dem Ejektor 1 über eine Auslassöffnung 10 in Verbindung steht. Der Auslass vom Expansionsbereich 7 der Schraubenspindel steht mit der Ejektoröffnung über eine Leitung 11 in Verbindung. Die Leitung 11 öffnete sich stromabwärts von der Ejektoröffnung, um das entspannte Antriebsgas aus der Schraubenspindelpumpe in den Abstrom aus dem Ejektor einzuführen. Auf diese Weise wird entspanntes Antriebsgas niedrigerer Temperatur mit dem Abgas aus dem Ejektor gemischt, wobei letzteres das komprimierte Gas erhöhter Temperatur aus der Schraubenspindelpumpe umfasst. 2 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel und schlägt eine Realisierung der Anordnung der 1 durch Verbund einer Schraubenspindelpumpe und eines Ejektors in einer üblichen Pumpenstruktur vor. Die Strukturdetails sind aus Gründen der Klarheit aus der Zeichnung weggelassen.
Die Vakuumpumpe 100 umfasst einen Vakuumstutzen V, die zur Verbindung mit einem durch Vakuum betriebenen Verfahren angeordnet ist, ein Einlassstutzen 101 für Antriebsgas und ein Auslassstutzen 102 für Antriebsgas und evakuiertes Gas. In dieser Ausführungsform ist der Ejektor 103 als Mehrstufen-Ejektor dargestellt, der in Reihe angeordnete Düsen 104 aufweist, und Öffnungen 105, die mit dem Vakuumstutzen V über einen Durchgang 106 in Verbindung stehen. Die Fließverbindung durch den Durchgang 106 wird durch ein Einwegventil gesteuert, oder durch ein vakuumgesteuertes oder elektrisch gesteuertes Ventil 107 vom NO-Typ (normalerweise offen). Der Ejektor kann von dem Typ sein, der mit einen rotationssymmetrischen Körper, der Öffnungen 105 und Klappenventile 108 in der Zylinderwand des Ejektors integriert aufweist, mit Öffnungen an der Innenseite einer Muffe 109, ausgebildet ist.
Eine in der Pumpe 100 eingebaute Schraubenspindelpumpe umfasst einen Expansionsbereich 110 und einen Kompressionsbereich 111. Der Expansionsbereich weist in einander greifende positive und negative Rotorkörper auf, die über Wellen 112 mit entsprechenden Rotorkörpern des Kompressionsbereichs operativ verbunden sind, um die Rotationsbewegungen zwischen den Rotorkörpern zu übertragen. Für eine umfassende Beschreibung der Struktur und den Betrieb einer Schraubenspindelpumpe wird auf die Literatur Bezug genommen, weil Schraubenspindelpumpen an sich üblich sind, und die weitere Beschreibung sich auf die unterscheidenden technischen Merkmale der vorliegenden Erfindung bezieht.
Der Expansionsbereich 110 weist einen Einlass 113 für Antriebsgas auf, geliefert über den Antriebsgaseinlass 101 als Ergebnis des Öffnens eines elektrisch gesteuerten Druckluftventils 114 vom NC-Typ (norma lerweise geschlossen). Der Auslass 115 des Expansionsbereiches steht mit dem Pumpenauslass 102 über eine Leitung 116 in Verbindung und öffnet sich stromabwärts von der Ejektoröffnung. Der Kompressionsbereich 111 steht mit dem Vakuumstutzen V über einen Einlass 117 für aus der Vakuumöffnung evakuiertem Abzugsgas in Verbindung und mit dem Ejektor 103 über einen Auslass 118 zum Ablassen von komprimiertem Gas in Verbindung. Obwohl in der Zeichnung bloß angedeutet, werden die Rotorkörper der Schraubenspindelpumpe zur Rotation im Pumpenkörper für eine gasdichte und reibungsverringerte Rotation bei entsprechenden Rotationsgeschwindigkeiten gelagert.
Es wird nun der Betrieb der Vakuumpumpe 100 erläutert. Antriebsgas, im allgemeinen Luft, wird über den Ejektor 103 zugeführt, was die Ejektoröffnung 105 dazu veranlasst, als Ergebnis des zwischen den Ejektordüsen erzeugten Druckabfalls zu öffnen, und Gas wird gegen den Ejektor aus dem Vakuumstutzen V auf an sich bekannte Weise abgezogen. Nach Erreichen eines vorbestimmten Unterdruckniveaus, z. B. 300 mbar, das mittels eines Vakuumrelais oder des druckbetriebenen Ventils 107 verfolgt und bestimmt wird, öffnet sich das Ventil 114, um Antriebsgas über den Einlass 113 zum Expansionsbereich 110 der Schraubenspindelpumpe zu leiten. Das sich expandierende Antriebsgas zwingt die Rotorkörper des Expansionsbereichs zur Rotation, und das entspannte Antriebsgas wird über die Auslassöffnung 115 und die Leitung 116 zum Ejektorablass 102 stromabwärts von der Ejektoröffnung ausgeführt. Das aus dem Expansionsbereich ausgeführte entspannte Antriebsgas weist eine niedrige relative Temperatur auf, die typischerweise in der Größenordnung von 10°C oder weniger liegt.
Der Expansionsbereich 110 arbeitet wie ein Motor, dessen Rotation über Wellen 112 zum Kompressionsbereich 111 der Schraubenspindelpumpe übertragen wird. Auf diese Weise wird Gas vom Vakuumstutzen V über den Einlass 117 in den Kompressionsbereich gezogen, wo es komprimiert und an den Ejektor über den Auslass 118 aus dem Kompressionsbereich abgelassen wird. Das komprimierte Gas weist eine erhöhte Temperatur auf, typischerweise in der Größenordnung von 60°C und sogar mehr, z. B., wenn der Druck an der Vakuumöffnung auf ca. 5 mbar verringert ist. Das heiße komprimierte Gas wird in den Ejektor gezogen, um mit dem durch den Ejektor hindurch gezwungenen Antriebsgas gemischt zu werden, und weiter mit dem entspannten Antriebsgas des Expansionsbereichs der Schraubenspindelpumpe stromabwärts von der Ejektoröffnung gemischt zu werden. Auf diese Weise hat das Gas oder die Luft, die aus der Auslassöffnung 102 ausgeführt wird, nach dem Ablassen normale Raumtemperatur oder sogar weniger erreicht.
Die Vakuumpumpe 100 ist durch einen schnellen anfänglichen Effekt innerhalb einer oberen Druckregion unterhalb von Atmosphärendruck charakterisiert, und eine hohe Effizienz innerhalb eines niedrigeren Druckbereichs, bis hinunter zu sehr geringen Drücken oder Vakuum. Diese betrieblichen Vorteile werden durch den Verbund eines Ejektors und einer Schraubenspindelpumpe erzielt. Erfindungsgemäß wird die Effizienz weiter durch einen Verbund erhöht, durch den die Schraubenspindelpumpe über den Ejektor betrieben wird. Durch eine extensive Verwendung des Antriebsgases zum Kühlen des komprimierten Gases, das die Schraubenspindelpumpe verlässt, kann die erfindungsgemäße Pumpe in dezentralisierten Vakuumsystemen betrieben werden, und ebenfalls bei Anwendungen, wo die Temperatur kritisch ist, und worin ein so niedrig wie möglicher Druck gewünscht wird.
Die vorliegende Erfindung kann in von den obigen Ausführungsformen verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden. Es können z. B. mehrere Ejektoren verbunden sein, um parallel von ein und derselben An triebsgasquelle betrieben zu werden. In Anwendungen, bei denen die Temperatur weniger kritisch ist, kann das Antriebsgas aus der Schraubenspindelpumpe getrennt aus dem Expansionsbereich abgeführt werden. Eine andere Modifikation kann vorsehen, dass das entspannte Antriebsgas über Leitungen vom Expansionsbereich zum Abkühlen des Kompressionsbereichs oder seinem Auslass zirkuliert wird. Anstelle eines druckgesteuerten Ventils kann die Verbindung zwischen dem Vakuumstutzen und dem Ejektor ein automatisches Einwegventil aufweisen, und ein Vakuumrelais kann vorgesehen sein, um ein Signal zu erzeugen, das das Ventil im Einlass zum Expansionsbereich aktiviert. Alle diese und andere Modifikationen, die für einen Durchschnittsfachmann beim Lesen dieser Patentspezifikation als offensichtlich angesehen werden, waren vorhersehbar und sind von der Erfindung, wie beansprucht, umfasst.

Claims

Vakuumpumpe, umfassend eine Schraubenspindelpumpe mit einem Kompressionsbereich (8) und eifern Expansionsbereich (7), dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslass (10) aus dem Kompressionsbereich mit zumindest einem Ejektor (1) in Verbindung steht, um komprimiertes Gas durch den Ejektor zu entlassen, und dass der Expansionsbereich (7) über eine erste Ventileinrichtung (5) mit einer Quelle (P) für Antriebsgas verbunden werden kann, um die Schraubenspindelpumpe und den Ejektor parallel zu betreiben.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1, wobei Ventileinrichtung (5) so vorgesehen ist, dass die Schraubenspindelpumpe (7, 8) mit derselben Quelle für Antriebsgas, die den Ejektor (1) betreibt, verbunden werden kann und wobei die Ventileinrichtung auf einen durch den Ejektor erzeugten Unterdruck hin geöffnet wird, um die Schraubenspindelpumpe zu betreiben.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine zweite Ventileinrichtung vorgesehen ist, um eine Evakuierverbindung (4) zu dem Ejektor zu schließen, wenn die erste Ventileinrichtung geöffnet ist, um die Schraubenspindelpumpe zu betreiben.
Die Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1, wobei der Expansionsbereich (7) der Schraubenspindelpumpe mit einem Auslass (102) des Ejektors in Verbindung (11) steht, um die Auslassgase des Ejektors mit Antriebsgas, das durch die Schraubenspindelpumpe entspannt wird, zu vermischen.
Die Vakuumpumpe gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ejektor ein mehrstufiger Ejektor ist.
Die Vakuumpumpe gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schraubenspindelpumpe und der Ejektor integral in einem gemeinsamen Pumpenkörper angeordnet sind.
Die Vakuumpumpe gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Ventileinrichtung (5) zum Versorgen der Schraubenspindelpumpe mit Antriebsgas ein elektrisch kontrolliertes Ventil vom NC-Typ ist, und die zweite Ventileinrichtung zum Verschließen der Evakuierverbindung (4) zu dem Ejektor ein elektrisch kontrolliertes Ventil vom NO-Typ ist.
Verfahren zum Beaufschlagen eines industriellen Verfahrens mit Unterdruck, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ejektor (1) zuerst verwendet wird, um den Druck auf ein vorbestimmtes niederes Niveau zu bringen, von wo aus der Druck mit Hilfe einer Schraubenspindelpumpe (7, 8), die so vorgesehen ist, dass sie durch und parallel zu dem Ejektor arbeitet, weiter vermindert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Antriebsgas für die Schraubenspindelpumpe mit dem Auslassgas des Ejektors vermischt wird, um die Temperatur des Auslassgases zu vermindern.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Schraubenspindelpumpe und der Ejektor durch ein und dieselbe Antriebsgasquelle (P) betrieben wird, und das Antriebsgas über eine Ventileinrichtung (15) zu der Schraubenspindelpumpe in Folge eines durch den Ejektor erzeugten Unterdrucks geleitet wird.