EP1070848B1 - Verdrängermaschine für kompressible Medien - Google Patents

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EP1070848B1
EP1070848B1 EP99114031A EP99114031A EP1070848B1 EP 1070848 B1 EP1070848 B1 EP 1070848B1 EP 99114031 A EP99114031 A EP 99114031A EP 99114031 A EP99114031 A EP 99114031A EP 1070848 B1 EP1070848 B1 EP 1070848B1
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EP
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vacuum pump
lead
motors
shafts
outlet end
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Heiner Dr. Kösters
Guido Dr. Keller
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Sterling Fluid Systems Germany GmbH
Sterling Fluid Systems GmbH
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Sterling Fluid Systems Germany GmbH
Sterling Fluid Systems GmbH
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    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
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    • F04C18/12—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C18/14—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F04C18/16—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C2240/40—Electric motor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/50—Bearings
    • F04C2240/51—Bearings for cantilever assemblies

Definitions

  • the invention relates to a dry-running vacuum pump for compressible media according to the preamble of claim 1.
  • a previously known displacement machine (GB 2030227A) is double- flow with single -profile profiles. This displacement machine is apparently primarily intended as a compressor.
  • the object of the invention is to provide a displacement machine of the type mentioned, which is a cheaper Shows pumping behavior and increases the delivery rate is.
  • the solution according to the invention is that the helical Profile body are double-threaded.
  • the slope is therefore constant at the inlet end. That’s why original delivery volume the size of the slope on Inlet end corresponds.
  • This funding volume will not reduced that the slope decreases immediately.
  • advantageously extends the area with constant slope at least one turn (360 °) at the inlet end.
  • a constant slope is again provided at the outlet end, which is less than the slope at the inlet end. This will the mentioned problems of backflow are greatly reduced, because over one turn or even several turns in the there is essentially constant pressure. This also makes the Final pressure of the pump reduced. At the same time because of the smaller funding volume reduces the power consumption.
  • Displacement machines are known in which the rotors are used constant slopes at the inlet end and outlet end have (GB 2 227 057 B, EP 0 183 380 B1). These displacement machines are intended for pumping liquids, which may contain gas inclusions. Because liquids are not compressible to any significant degree, the Gaps between the rotors and the wall of the delivery room be dimensioned so that liquid during compression through the column corresponding to the pressure difference can flow to the inlet side. So it's still a reasonable one Pumping action is at the inlet end and Outlet areas with constant slope provided pump the liquid normally without compression, otherwise none due to the large gap widths required reasonable pumping action could be achieved. Because these pumps are alien and the problem with funding of liquid is completely different from that of compressible media, these pumps are not able to indicate anything to give the displacement machines according to the invention.
  • the slopes are at the inlet and outlet ends constant over at least one turn.
  • the slope at the outlet end is constant over at least two turns. This gives you not only get better sealing and less backflow, but also better dissipation of the heat of compression. This then arises with a dry-running vacuum pump the heat of compression through the volume reduction and the Heat of compression due to the penetration of outside air at the outlet end no longer in the same place and can therefore do better be dissipated.
  • the number of turns over which the slope is constant depends on the desired operating conditions of the pump.
  • a particularly favorable behavior of the displacement machine in particular in the vacuum range is obtained if provided is that the shafts are each driven by their own electric motors be, the angular positions of the shafts with resolvers the motors are determined on the basis of their signals be electronically synchronized, and being the waves Have gears that mesh and their angular play is smaller than that of the profile body.
  • the rotors are not driven by gears, but are completely contact-free thanks to our own electric motors driven, the gears only have the purpose to prevent in the event of electronic synchronization failure, that the sensitive surfaces of the rotors touch and get damaged. Instead, the Touch gears, which is not a problem, in particular, if they are provided with the appropriate surface.
  • Three-phase motors have proven to be particularly suitable for operation proven with permanent magnetic rotor as drive.
  • Fig. 1 there are one of several Parts of assembled pump housing 1 with bearings 2 two shafts 3 stored on which profile body 4 are attached, which interlock and in the pump chamber 5 through a connection 13 that Suck the medium to be pumped from above and not through the bottom Eject the openings shown.
  • the waves 3 and the profile body 4 are driven by electric motors 6, whereby for each shaft 3 a separate electric motor 6 is provided.
  • Below on the shafts 3 there are two intermeshing gear wheels 7 intended.
  • the motors 6 are 8 using resolvers electronically synchronized. In adverse operating conditions, if the electronic synchronization is not sufficient, first touch the gears 7 because they are one have less angular play than the rotors 4. Usually but do not touch the gears 7, so that on lubrication of these gears can be dispensed with.
  • rotors according to the invention are shown, in which the slope decreases from the top (inlet end) to the bottom (outlet end).
  • the slope S 1 has a constant value over at least one turn.
  • the range of constant slope S 3 advantageously extends over at least two turns of the rotors 4.
  • the slope S 2 changes continuously from the value of S 1 to the value of S 3 .

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Description

Die Erfindung betrifft eine trockenlaufende Vakuumpumpe für kompressible Medien gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei einer bekannten Verdrängermaschine dieser Art (DE 195 30 662 A) werden zwei ineinandergreifende Profilkörper verwendet. Durch diese wird am Einlaßende ein bestimmtes Volumen eingeschlossen, das sich dann bei Drehung der Rotoren zum Auslaßende bewegt. Dabei findet, da die Steigung abnimmt und damit das eingeschlossene Fördervolumen zum Auslaßende hin kleiner wird, eine Kompression statt. Auf diese Weise wird das kompressible Medium vom Einlaßende zum Auslaßende gefördert und dabei komprimiert. Die kontinuierlich sich ändernde Steigung bewirkt zwar die Komprimierung, hat aber folgende Nachteile.
Da am Einlaßende die Steigung sich sofort verringert, ist das Fördervolumen kleiner, als es der Steigung direkt am Einla-Bende entsprechen würde. Dies führt zu einer Begrenzung des Saugvermögens. Auf der Auslaßseite findet wegen der abnehmenden Steigung und Verringerung des Fördervolumens bis zum Ende der Rotoren dauernd noch Komprimierung statt, so daß Druckdifferenzen zwischen dem momentan letzten noch nicht geöffneten Fördervolumen und dem folgenden Fördervolumen existieren, die über nicht zu vermeidende Spalten zwischen den Rotoren und den Wänden zu Rückströmung des Mediums in das von der Einlaßseite her folgende Fördervolumen oder die folgenden Fördervolumen Anlaß geben, wodurch ebenfalls die Förderleistung verringert wird. Für die Leistungsaufnahme ist das Volumen der Förderkammer im Moment des Öffnens am Auslaßende maßgeblich. Da dieses wegen der stetig sich verringernden Steigung noch nicht den Wert angenommen, der der Steigung am Auslaßende entspricht, ergibt sich ein beträchtlicher Leistungsverlust.
Eine vorbekannte Verdrängermaschine (GB 2030227A) ist doppelflutig mit eingängig profilierten Profilkörpern. Diese Verdrängermaschine ist offenbar in erster Linie als Kompressor vorgesehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Verdrängermaschine der eingangs genannten Art, die ein günstigeres Pumpverhalten zeigt und bei der die Förderleistung erhöht ist.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die schraubenförmigen Profilkörper zweigängig ausgebildet sind.
Die Steigung ist also am Einlaßende konstant. Dadurch hat das ursprüngliche Fördervolumen die Größe, die der Steigung am Einlaßende entspricht. Dieses Fördervolumen wird nicht dadurch verkleinert, daß die Steigung sofort abnimmt. Vorteilhafterweise erstreckt sich der Bereich mit konstanter Steigung am Einlaßende über mindestens eine Windung (360°). Auch am Auslaßende ist wieder eine konstante Steigung vorgesehen, die kleiner ist als die Steigung am Einlaßende. Dadurch werden die erwähnten Probleme der Rückströmung sehr stark vermindert, da über eine Windung oder sogar mehrere Windungen im wesentlichen konstanter Druck herrscht. Dadurch wird auch der Enddruck der Pumpe vermindert. Gleichzeitig wird wegen des kleineren Fördervolumens die Leistungsaufnahme vermindert.
Zwischen den beiden Bereichen mit konstanten Steigungen befindet sich der Abschnitt, in dem die Steigung am Einlaßende auf die deutlich kleinere Steigung am Auslaßende reduziert wird. Dieser Verlauf ist unter thermodynamischen Aspekten der günstigste.
Es sind zwar Verdrängermaschinen bekannt bei denen die Rotoren am Einlaßende und Auslaßende jeweils konstante Steigungen aufweisen (GB 2 227 057 B, EP 0 183 380 Bl). Diese Verdrängermaschinen sind aber zum Fördern von Flüssigkeiten vorgesehen, die Gaseinschlüsse enthalten können. Da Flüssigkeiten nicht in nennenswertem Maße komprimierbar sind, müssen die Spaltweiten zwischen den Rotoren und der Wand des Förderraums so dimensioniert werden, daß Flüssigkeit während der Komprimierung durch die Spalte entsprechend der Druckdifferenz zurück zur Einlaßseite strömen kann. Damit trotzdem eine vernünftige Pumpwirkung erreicht wird, sind am Einlaßende und Auslaßende Bereiche mit konstanter Steigung vorgesehen, die die Flüssigkeit normal ohne Komprimierung fördern, da sonst wegen der erwähnten erforderlichen großen Spaltbreiten keine vernünftige Pumpwirkung erzielt werden könnte. Da diese Pumpen gattungsfremd sind und die Problematik bei der Förderung von Flüssigkeit völlig anders ist als bei kompressiblen Medien, vermögen diese Pumpen keinerlei Hinweise in Richtung auf die erfindungsgemäßen Verdrängermaschinen zu geben.
Außerdem sind die Rotoren der vorbekannten Verdrängermaschinen soweit ersichtlich eingängig. Bei der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine sind die schraubenförmigen Rotoren zweigängig, um besser ausgewuchtet werden zu können, was für hohe Drehgeschwindigkeiten unbedingt erforderlich ist. Außerdem ist die Wärmeabfuhr durch die besser verteilten Spaltströme erhöht. Diese Wärmeabfuhr ist bei den flüssigkeitsfördernden Verdrängermaschinen des Standes der Technik nicht problematisch.
Vorteilhafterweise sind die Steigungen am Einlaß- und Auslaßende über mindestens eine Windung konstant. Für die Komprimierung von Gasen bzw. die Erzielung eines guten Vakuums ist es besonders vorteilhaft, wenn die Steigung am Auslaßende über mindestens zwei Windungen konstant ist. Dadurch erhält man nicht nur eine bessere Abdichtung und geringere Rückströmung, sondern auch eine bessere Abführung der Verdichtungswärme. Bei einer trockenlaufenden Vakuumpumpe entstehen dann die Verdichtungswärme durch die Volumenverkleinerung und die Verdichtungswärme durch das Eindringen von Außenluft am Auslaßende nicht mehr an der selben Stelle und können daher besser abgeführt werden.
Die Zahl der Windungen, über die die Steigung konstant ist, hängt von den gewünschten Betriebsbedingungen der Pumpe ab.
Ein besonders günstiges Verhalten der Verdrängermaschine insbesondere im Vakuumbereich wird erhalten, wenn vorgesehen ist, daß die Wellen jeweils durch eigene Elektromotoren angetrieben werden, wobei die Winkelpositionen der Wellen mit Resolvern bestimmt werden, aufgrund von deren Signalen die Motoren elektronisch synchronisiert werden, und wobei die Wellen Zahnräder aufweisen, die ineinandergreifen und deren Winkelspiel kleiner ist als dasjenige der Profilkörper. Die Rotoren werden also nicht über Getriebe angetrieben, sondern werden vollständig berührungsfrei durch eigene Elektromotoren angetrieben, wobei die Zahnräder lediglich den Zweck haben, bei Ausfall der elektronischen Synchronisation zu verhindern, daß sich die empfindlichen Oberflächen der Rotoren berühren und beschädigt werden. Statt dessen werden sich zunächst die Zahnräder berühren, was keine Probleme bereitet, insbesondere, wenn diese mit entsprechender Oberfläche versehen sind.
Wenn eine Differenzregelung für die Drehzahl der Motoren vorgesehen ist, wird die Pumpfähigkeit und Zuverlässigkeit der Pumpe weiter erhöht. Dringt zum Beispiel Flüssigkeit in die Pumpe ein, so werden beide Rotoren gleichförmig beeinflußt; die Differenz wird sich nur wenig ändern. Würde man dagegen die Regelung auf einen vorgegebenen Wert unabhängig für beide Rotoren durchführen, so müßten an beiden Rotoren sehr große Geschwindigkeitsänderungen vorgenommen werden, wenn die Rotoren durch eindringende Flüssigkeit plötzlich abgebremst werden.
Als besonders zweckmäßig für den Betrieb haben sich Drehstrommotoren mit permanent magnetischem Rotor als Antrieb erwiesen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig 1.
schematisch den Aufbau einer Verdrängermaschine, bei der die Erfindung verwendet werden kann; und
Fig 2.
erfindungsgemäße Profilkörper, die im Zusammenhang mit der Verdrängermaschine der Figur 1 verwendet werden können.
Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, sind in einem aus mehreren Teilen aufgebauten Pumpengehäuse 1 mit Lagern 2 zwei Wellen 3 gelagert, auf denen Profilkörper 4 befestigt sind, die ineinandergreifen und im Pumpenraum 5 durch einen Anschluß 13 das zu fördernde Medium von oben ansaugen und unten durch nicht gezeigte Öffnungen ausstoßen. Die Wellen 3 und die Profilkörper 4 werden durch Elektromotoren 6 angetrieben, wobei für jede Welle 3 ein separater Elektromotor 6 vorgesehen ist. Unten an den Wellen 3 sind zwei ineinandergreifende Zahnräder 7 vorgesehen. Die Motoren 6 werden mit Hilfe von Resolvern 8 elektronisch synchronisiert. Bei widrigen Betriebsbedingungen, wenn die elektronische Synchronisation nicht ausreicht, berühren sich zunächst die Zahnräder 7, da sie ein geringeres Winkelspiel als die Rotoren 4 aufweisen. Normalerweise berühren sich aber die Zahnräder 7 nicht, so daß auf eine Schmierung dieser Zahnräder verzichtet werden kann.
In Fig. 2 sind erfindungsgemäße Rotoren gezeigt, bei denen die Steigung von oben (Einlaßende) nach unten (Auslaßende) abnimmt. Im Einlaßbereich hat die Steigung S1 über mindestens eine Windung einen konstanten Wert. Das gleiche gilt für die Steigung S3 am Auslaßende, die dort ebenfalls konstant ist, aber wesentlich kleiner als die Steigung S1 am Einlaßende. Der Bereich konstanter Steigung S3 erstreckt sich dabei vorteilhafterweise über mindestens zwei Windungen der Rotoren 4. Zwischen Einlaßende mit Steigung S1 und Auslaßende mit Steigung S3 ändert sich die Steigung S2 kontinuierlich vom Wert von S1 zum Wert von S3.

Claims (6)

  1. Trockenlaufende Vakuumpumpe für kompressible Medien mit mindestens zwei Wellen (3) mit Rotoren (4), die als schraubenförmige Profilkörper (4) ausgebildet sind und deren Profile bei der Drehung zahnradartig ineinandergreifen und berührungsfrei zueinander laufen, wobei die Steigung der schraubenförmigen Profilkörper vom Einlaß zum Auslaß abnimmt, und die Steigungen (S1, S3) am Einlaßende und Auslaßende der schraubenförmigen Profilkörper (4) konstant sind und dazwischen von der größeren Steigung (S1) am Einlaßende zur kleineren Steigung (S3) am Auslaßende die Steigung (S2) kontinuierlich abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenförmigen Profilkörper (4) zweigängig ausgebildet sind.
  2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung (S1, S3) am Einlaß- und Auslaßende über mindestens eine Windung konstant sind.
  3. Vakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung (S3) am Auslaßende über mindestens zwei Windungen konstant ist.
  4. Vakuumpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (3) jeweils durch eigene Elektromotoren (6) angetrieben werden, wobei die Winkelpositionen der Wellen (3) mit Resolvern (8) bestimmt werden, aufgrund von deren Signalen die Motoren (6) elektronisch synchronisiert werden, und wobei die Wellen (3) Zahnräder (7) aufweisen, die ineinandergreifen und deren Winkelspiel kleiner ist als dasjenige der Profilkörper (4).
  5. Vakuumpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Differenzregelung für die Drehzahl der Motoren (6) aufweist.
  6. Vakuumpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Motoren (6) Drehstrommotoren mit permanent magnetischem Rotor sind.
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