EP0281654B1

EP0281654B1 - Zweiwellenmaschine

Info

Publication number: EP0281654B1
Application number: EP87103508A
Authority: EP
Inventors: Josef Heppekausen; Hans-Peter Dr. Kabelitz; Karl-Heinz Ronthaler; Ralf Steffens
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1987-03-11
Filing date: 1987-03-11
Publication date: 1991-04-17
Anticipated expiration: 2007-03-11
Also published as: JPS63230902A; EP0281654A1; US4974318A; DE3769468D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweiwellen-Verdrängungsmaschine für die Anwendung im Vakuum mit einem Gehäuse und zwei parallel zueinander verlaufenden Wellen, welche Kolben tragen, die derart in einem vom Gehäuse gebildeten Schöpfraum angeordnet sind, daß sie untereinander und relativ zum Schöpfraum berührungsfrei bewegbar sind, wobei die Kolben oder die Kolben und die Wandung des Schöpfraumes mit einer Schicht versehen sind.
Aus der US-A-29 44 732 ist eine Maschine dieser Art bekannt. Zur Erhöhung der Pumpleistung sind die Kolben mit einer möglichst glatten Schicht versehen. Dem Spiel der Kolben zueinander und zur Schöpfraumwandung wird keine besondere Bedeutung beigemessen. Zum Stand der Technik wird außerdem noch auf die GB-A-772 350 und DE-A-3l 42 896 hingewiesen. Bei den daraus benannten Maschinen wird eine Berührung der Kolben in Kauf genommen. Aus der DE-C-942 229 ist es bekannt, die Drehkolben von Rootsgebläsen aus einem stranggepreßten Profilmaterial herzustellen und mit Hilfe einer Beschichtung maßhaltig zu machen.
Wegen der berührungsfreien Anordnung der Kolben im Gehäuse sind bei den hier betroffenen Zweiwellen-Maschinen (Rootspumpen, Northey-Pumpen, Schraubenkompressoren usw.) Rückströmungen des geförderten Mediums unvermeidbar. Der volumetrische Wirkungsgrad von Zweiwellenmaschinen dieser Art ist deshalb definiert durch das Verhältnis von der effektiv geförderten Gasmenge zur theoretisch förderbaren Gasmenge. Je geringer das Spiel der Kolben zueinander und zur Gehäusewandung ist, desto geringer ist die Rückströmung, das heißt, desto besser ist ihr volumetrischer Wirkungsgrad. Die Wahl beliebig kleiner Spiele ist jedoch aus thermischen Gründen nicht möglich. Während des Betriebs erwärmt sich die Maschine, und es kommt somit zur Reduktion der vorhandenen Spiele, so daß die Gefahr des Anlaufens der Kolben am Gehäuse besteht.
Bezüglich des Gehäuses besteht die Möglichkeit, die Wärme durch eine Wasser- oder Luftkühlung abzuführen. Die Abführung der Wärme von den rotierenden Kolben erfolgt jedoch im wesentlichen nur durch das geförderte Medium selbst, das entweder die Wärme des Kolbens auf das Gehäuse überträgt oder selbst mit abführt. Da beim Betrieb der Zweiwellenmaschine im Vakuum nur relativ wenig Moleküle zur Abführung der Wärme zur Verfügung stehen, sind die thermischen Probleme in diesem Druckbereich besonders kritisch. Da der Grad der Erwärmung von der Druckdifferenz zwischen Auslaß und Einlaß der Maschine abhängt und eine maximale Temperaturdifferenz zwischen Kolben und Gehäuse zur Vermeidung von Berührungen bei Spielaufzehrung nicht überschritten werden darf, müssen beim Betrieb der zweiwellenmaschinen bestimmte Druckdifferenzen eingehalten werden. Beim Einsatz von Wälzkolbenpumpen im Vakuum darf zum Beispiel die Differenz zwischen Auslaßdruck und Einlaßdruck einen vorgegebenen zulässigen Wert nicht überschreiten, sofern keine besonderen Kolben-Kühlmaßnahmen getroffen sind.
Um möglichst hohe Druckdifferenzen bei Vakuumeinsatz zu ermöglichen, ist es bekannt, die Spiele im kalten Zustand der Maschine besonders groß zu wählen. Mit zunehmender Temperatur dehnen sich die Kolben aus, das heißt, die Spiele zueinander und zur Innenwand des Schöpfraumes nehmen ab, so daß die Maschine erst bei ihrer Betriebstemperatur den höchsten volumetrischen Wirkungsgrad hat.
Zweiwellenmaschinen für den Einsatz im überdruckgebiet unterscheiden sich beispielsweise von Maschinen für den Einsatz im Vakuum bei im wesentlichen gleichem Kolbenprofil nur durch die Kaltspiele der Rotoren zueinander sowie radial und axial zum Gehäuse. Während das Spiel zwischen dem Kolben und der Schöpfraum-Innenwand bei einem Rootsgebläse mit einem Saugvermögen von 1000 m³/h, bestimmt für den Einsatz im Überdruckgebiet, ca. 50 u beträgt, hat eine Rootspumpe mit gleichem Saugvermögen, bestimmt für den Einsatz im Vakuum, ein um etwa Faktor 4 größeres Kaltspiel. Für Zweiwellenmaschinen des gleichen Typs und der gleichen Größenordnung müssen deshalb je nach Druck-Einsatzgebiet unterschiedliche Kolben hergestellt werden, so daß insgesamt der Herstellungsaufwand hoch ist.
Zweiwellenmaschinen, insbesondere Wälzkolbenpumpen, haben bei vielen Applikationen breite Anwendung gefunden, da sie in bezug auf das Saugvermögen relativ wirtschaftlich herstellbar und betreibbar sind. Zu diesen Applikationen gehört auch die Förderung von mit Feuchtigkeit oder anderen, häufig aggressiven Zusätzen beladenen Gasen. Aufgrund dieser Zusätze können im bereich der Oberfläche der Kolben oder der Innenwandungen des Schöpfraumes Reaktionen auftreten. Die Reaktionsprodukte (Rost oder dergleichen) lösen sich und führen nicht nur zu Verunreinigungen der geförderten Gase, sondern auch zu einem vorzeitigen Verschleiß.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zweiwellenmaschine der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben. Dabei soll die Beschichtung sowohl der Anpassung der Maschine an den jeweiligen Druckbereich als auch dem Korrosionsschutz und/oder einer Einflußnahme auf das geförderte Medium dienen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Zweiwellenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Beschichtung der aus Stahl bestehenden Kolben zwei Teilschichten umfaßt, von denen die untere Schicht aus Nickel und die obere Schicht aus Kupfer besteht. Die Herstellung der Kolben und des Gehäuses der Zweiwellenmaschine erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß die Kolben und die Innenwandungen des Schöpfraumes zunächst in an sich bekannter Weise durch Spanabhebung derart bearbeitet werden, daß das Kaltspiel der Teile größer ist, als es für alle Druckbereiche, in denen die Maschine eingesetzt wird, erforderlich wäre, und daß danach die Anpassung des Spiels der Maschine an den gewünschten Druckbereich durch die Beschichtungen der Kolben und gegebenenfalls auch des Gehäuses erreicht werden.
Durch die vorgeschlagenen Beschichtungen soll zunächst erreicht werden, daß das Kaltspiel einen bestimmten Wert annimmt. Dazu reicht es aus, wenn nur die Kolben mit einer Poppelschicht von einer solchen Dicke versehen werden, daß das gewünschte Kaltspiel vorhanden ist. Soll zusätzlich ein Schutz der Kolben und auch der Innenwandungen des Schöpfraumes gegen Korrosionen mit dem Fördermedium oder darin enthaltenen Zusätzen erreicht werden, dann ist es erforderlich, sowohl die Kolben als auch die Innenwandungen des Schöpfraumes zu beschichten und die gewählten Schichtdicken so zu wählen, daß das gewünschte Kaltspiel erreicht wird. Die äußere Kupferschicht schützt Kolben und Schöpfraum vor Korrosionen.
Der Vorteil der Erfindung liegt zunächst darin, daß für die unterschiedlichsten Einsatz-Druckbereiche einer Zweiwellenmaschine eines bestimmten Typs eine Vielzahl von Kolben und Gehäuse mit einheitlichen Maßen hergestellt werden kann. Durch galvanisch oder chemisch in relativ einfacher Weise konturentreu aufzubringende Schichten können einzelne Maschinen zunächst an ihren Jeweiligen Druckeinsatzbereich angepaßt werden. Bisher war das gewählte Kaltspiel ein Kompromiß, der den Einsatz der Maschinen in den verschiedenen Druckbereichen des Vakuums (Grobvakuum, Feinvakuum usw.) ermöglichte. Durch die Erfindung ist es in besondes einfacher Weise möglich, das Kaltspiel von Zweiwellenmaschinen, insbesondere Wälzkolbenpumpen, derart zu wählen, daß sie auf den jeweiligen Druck-Einsatzfall abgestimmt sind, das heißt, daß ihr volumetrischer Wirkungsgrad für den jeweiligen Druckbereich optimal ist.
Schließlich besteht noch der Vorteil, daß mit der äußeren, aus Kupfer bestehenden Schicht Einfluß auf das geförderte Medium genommen werden kann. Wälzkolbenvakuumpumpen sind zum Beispiel für den Einsatz in Umwälzsystemen von CO₂-Lasern besonders geeignet. Mit der Erzeugung des Laserlichtes ist eine Dissoziation des CO₂ in CO und O₂ verbunden. Durch die Beschichtung der aktiven Pumpenoberflächen mit Kupfer tritt eine Katalysatorwirkung ein, die die erwähnte Dissoziation rückgängig macht. Das im Gaslaser umströmende CO₂-Gasgemisch hat deshalb eine längere Lebensdauer. Ein Gasaustausch ist seltener erforderlich, so daß die Betriebskosten des Gaslasers wesentlich reduziert werden können.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:

Figuren 1 und 2 einen Querschnitt durch eine Wälzkolbenpumpe mit zwei verschiedenen Kolbenstellungen,
Figur 3 einen Längsschnitt durch eine Wälzkolbenpumpe und
Figuren 4, 5 und 6 Einrichtungen zur Beschichtung von Teilen mit aktiven Pumpenoberflächen.

Das Gehäuse der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Wälzkolbenpumpe 1 ist mit 2 bezeichnet. Ihr Schöpfraum 3 wird gebildet von den Innenwandungen des Gehäuses 2 und den Seitenschilden 4, 5 (Fig. 3). Innerhalb des Schöpfraumes sind die 8-förmigen Kolben 6 und 7 berührungsfrei drehbar angeordnet. Die Welen 8 und 9 sind in den Seitenschilden 4 und 5 gelagert. Die Synchronisation der Bewegung der Kolben 6 und 7 erfolgt mittels der Zahnräder 11 und 12, die auf den das Lagerschild 4 durchsetzenden Stümpfen der Wellen 8, 9 befestigt sind. Die der Räderseite gegenüberliegende Seite der Wälzkolbenpumpe wird als Antriebsseite bezeichnet. Einer der auf dieser Seite befindlichen Stümpfe ist mit einem nicht dargestellten Antriebsmotor gekoppelt. Die Kolben 6 und 7 drehen sich in Richtung der Pfeile 13, wodurch die Förderrichtung (Pfeile 14) bestimmt ist. Einlaß und Auslaß der Pumpe sind mit 15 beziehungsweise 16 bezeichnet.
In die Figuren 1 bis 3 sind die verschiedenen Spiele, die unter anderem für einen berührungsfreien Ablauf der Kolbenbewegungen entscheidend sind, durch Großbuchstaben gekennzeichnet. Mit A und B sind die Spiele bezeichnet, die die Kolben 6, 7 peripher auf der Druckseite beziehungsweise auf der Saugseite zum Gehäuse 2 hin haben (Fig. 1). Mit C und D ist das axiale Spiel bezeichnet (Fig. 3), das die Kolben 6 und 7 stirnseitig zum Lagerschild 4 auf der Räderseite beziehungsweise zum Lagerschild 5 auf der Antriebsseite haben. Schließlich sind Spiele, die die Kolben 6, 7 in zwei verschiedenen Stellungen zueinander haben, mit E und F bezeichnet.
Zur Herstellung einer Wäzkolbenpumpe nach den Figuren 1 bis 3 werden die Kolben 6, 7, die Innenseiten der Lagerschilde 4, 5 und die Innenwandungen des Gehäuses 2 zunächst spanabhebend derart bearbeitet, daß die Katspiele A bis F größer sind, als es für alle Einsatzgebiete, für die diese Maschine infrage kommt, erforderlich ist. Danach werden durch gezielte, konturentreue Beschichtungen die ursprünglich zu großen Kaltspiele um ein gewünschtes Maß verringert, so daß lediglich durch unterschiedliche Beschichtungen dieser Art Wäzkolbenpumpen für unterschiedliche Einsatzgebiete herstellbar sind. Ist die Wälzkolbenpumpe zum Beispiel infolge der geförderten Medien korrosionsgefährdet, dann müssen sämtliche pumpaktiven Oberflächen beschichtet werden. Soll lediglich das Kaltspiel auf ein bestimmtes Maß gebracht werden, dann reicht es aus, wenn die Kolben 6 und 7 mit gezielten Beschichtungsstärken versehen werden.
Üblicherweise bestehen die zu beschichtenden Teile aus Stahl. Ein bevorzugtes Schichtmaterial ist Nickel. Nickelschichten können konturentreu durch Beschichten mit Stromlos-Nickel mit reproduzierbaren Schichtdicken aufgebracht werden. Sollen die Teile Cu-beschichtet sein, dann ist es zweckmäßig, zunächst als Grundlage eine Nickelschicht und darauf die Cu-Schicht aufzubringen. Die Dicke der beiden Schichten ist so zu wählen, daß das dem Einsatzgebiet entsprechende Kaltspiel erreicht wird. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kupferschichtdicke 25 µ beträgt und die Dicke der Nickelschicht dem gewünschten Kaltspiel entsprechend gewählt wird.
Die Figuren 4 bis 6 zeigen schematisch, wie die Aufbringung der Schichten erfolgen kann. Mit 21 ist jeweils die Wanne eines Galvanisierbades bezeichnet, in das die zu beschichtenden Teile eingetaucht und als Kathode geschaltet werden. Der zu beschichtenden Seite wird eine Anode 22 zugeordnet, deren Form der Kontur der zu beschichtenden Oberfläche angepaßt ist. Dem in der Fig. 4 dargestellten Lagerschild ist deshalb eine ebene Anode 22 zugeordnet. Bei den Figuren 5 und 6 sind als Beispiel die Anoden jeweils etwa 8-förmig gestaltet.
Die der Beschichtung des Kolbens 6 oder 7 dienende Anode 22 (Fig. 5) hat die Form eines Korbes und umgibt den Koben äquidistant, wenn eine gleichförmige Schicht aufgetragen werden soll. Auch den Stirnseiten des Kolbens sind nicht dargestellte, ebene Anodenabschnitte zugeordnet, wenn eine Beschichtung der Stirnseiten erreicht werden soll. Durch örtliche Veränderung des Abstandes zwischen Kolben und Anode kann die Dicke der aufgetragenen Schicht beeinflußt werden.
Zur Beschichtung der Innenwandung des Gehäuses 2 ist eine ebenfalls 8-förmige Korbanode 22 vorgesehen, die ebenfalls im wesentlichen äquidistant innerhalb des Schöpfraumes 3 angeordnet ist. Durch zusätzliche, nicht dargestellte Anoden kann erreicht werden, daß auch die Innenseiten der Stutzen von Einlaß 15 und Auslaß 16 beschichtet werden.
Die Anoden 22 können Opferanoden sein. Als besonders vorteilhaft haben sich jedoch Anoden erwiesen, die aus Titan-Streckmetall bestehen und korbförmig ausgebildet sind, da sie eine konturengetreue Anpassung ermöglichen. Das gewünschte Beschichtungsmaterial befindet sich im Anodenkorb vorzugsweise als Clippings.

Claims

Zweiwellen-Verdrängungsmaschine (1) für die Anwendung im Vakuum mit einem Gehäuse (2) und zwei parallel zueinander verlaufenden Wellen (8, 9), welche Kolben (6, 7) tragen, die derart in einem vom Gehäuse (2) gebildeten Schöpfraum (3) angeordnet sind, daß sie untereinander und relativ zum Schöpfraum berührungsfrei bewegbar sind, wobei die Kolben (6, 7)oder die Kolben (6,7) und die Wandung des Schöpfraumes (3) mit einer Schicht versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der aus Stahl bestehenden Kolben (6, 7) zwei Teilschichten umfaßt, von denen die untere Schicht aus Nickel und die obere Schicht aus Kupfer besteht.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der oberen Kupferschicht ca. 25 u beträgt und daß die untere Nickelschicht so dick gewählt ist, daß das für das Druck-Einsatzgebiet erforderliche Kaltspiel vorhanden ist.