EP1571340B1 - Trockene Verdrängervakuumpumpe mit innerer Verdichtung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine trocken Verdrängervakuumpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Pumpe ist bekannt aus EP 1 111 243 A2 oder aus US 5,951,266 (Fig. 10).
• Mechanische Vakuumpumpen nach dem Verdrängerprinzip werden über einen weiten Druckbereich betrieben. Einerseits gleicht der Saugdruck beim Starten der Pumpe und bei Beginn des Evakuierens der angeschlossenen Apparatur dem Atmosphärendruck. Andererseits ist es Hauptaufgabe der Pumpe, das Vakuum bei niedrigem Saugdruck unter 100 mbar bis herab zur Größenordnung von 10^-3 mbar aufrechtzuerhalten. Daraus ergeben sich für den Betrieb der Pumpe äußere Druckverhältnisse zwischen 1 und 10⁶. Auf eine effiziente Verdichtung kommt es vor allem im Haupteinsatzgebiet bei hohem Druckverhältnis an, da diese direkt in die Investitions- und Betriebskosten eingeht. Von großem Einfluß auf die Effizienz ist die innere Verdichtung der Pumpe. Darunter versteht man, dass das Volumen der von der Saugseite zur Druckseite sich bewegenden Kammern sich mit zunehmender Annäherung an die Druckseite verringert. Der Wirkungsgrad ist umso besser, je näher die innere Verdichtung dem äußeren Druckverhältnis kommt. Eine hohe innere Verdichtung ist deshalb für Vakuumpumpen ein wichtiges Konstruktionsziel.
• Bislang werden trocken laufende Verdrängervakuumpumpen mit einer inneren Verdichtung um den Faktor 2 bis 5 gebaut. Die Begrenzung ergibt sich daraus, daß eine höhere innere Verdichtung zu thermischen und mechanischen Schwierigkeiten bei hohen und mittleren Saugdrücken führt. Vor allem im mittleren Druckbereich von 200 bis 300 mbar, in dem die theoretische Verdichtungsleistung am höchsten ist, ergeben sich aufgrund der großen Wärmeerzeugung hohe Temperaturen und ist eine hohe Antriebsleistung aufzubringen. Deshalb ist es üblich, die Maschinen für diesen Bereich auszulegen. Das bedeutet, dass Antriebsleistung und Kühlung wesentlich stärker dimensioniert werden müssen, als es für den Hauptbetriebsbereich erforderlich wäre. Außerdem wird in Kauf genommen, dass bei den sehr viel niedrigeren Drücken des Hauptbetriebsbereichs die innere Verdichtung ungünstig ist. Bei nicht trocken laufenden Vakuumpumpen kann man eine höhere innere Verdichtung dadurch erreichen, dass man in den Pumpen Ventile vorsieht, die erst bei Erreichen des Auslaßdruckes öffnen. Solche Ventile sind ölüberlagert, aber moderne Vakuumprozesse verlangen zunehmend nach trocken laufenden Vakuumpumpen, teils weil die Rückverdampfung von Betriebs- oder Schmierflüssigkeit in die zu evakuierende Apparatur vermieden werden muß, andernteils aus umwelttechnischen Gründen. Trockene Ventile haben aber bei trocken laufenden Maschinen eine zu kurze Lebensdauer.
• Um dennoch auch bei trocken laufenden Vakuumpumpen eine höhere innere Verdichtungen erreichen zu können, hat man zusätzliche Maßnahmen für eine Begrenzung der Wärmeerzeugung oder des Drehmoments in den kritischen Saugdruckbereichen erwogen. In der EP-A-1111243 wird eine Absenkung der Drehzahl im Fall höherer Saugdrücke empfohlen. Dadurch könne man ein inneres Verdichtungsverhältnis von 10 oder mehr erreichen. Dabei wird übersehen, dass das aufzubringende Drehmoment nicht von der Drehzahl sondern von dem Verdichtungsverhältnis und dem Saugdruck abhängt und somit durch eine Drehzahlabsenkung nicht wesentlich verringert werden kann. - Nach der WO 02/08609 kann eine innere Verdichtung bis zum Faktor 10 bei einem Schraubenspindelverdichter erreicht werden, wenn die Form der Rotoren geometrisch optimiert wird. Dies kann aber bei Einsatz als Vakuumpumpe nicht zur Lösung der geschilderten Probleme führen, weil die Wärmeerzeugung und der Drehmomentbedarf nicht unter die dem Verdichtungsverhältnis theoretisch zugeordnete Grenze fallen können. - Die Konstruktion nach EP-B-1108143 ermöglicht eine hohe innere Verdichtung dadurch, dass ein innerhalb des Kompressors bei hohem Ansaugdruck entstehender Überdruck durch ein federbelastetes Ventil entspannt wird. Wie bereits bemerkt, hat sich jedoch gezeigt, dass derartige Ventile bei Trockenbetrieb nur eine kurze Lebensdauer haben. Die DE-A-10129341 geht von der Beobachtung aus, dass der größte Teil der Verdichtungsleistung einer Schraubenspindelmaschine im letzten ausgangsseitigen Rotorendbereich umgesetzt wird, so dass dort entsprechend hohe Temperaturen bei der Verdichtung auftreten. Diesem Nachteil soll dadurch abgeholfen werden, dass die Leistungsumsetzung und Wärmeerzeugung auf einen größeren Abschnitt der Verdrängerspindel verteilt wird, indem die Profilkontur der Rotoren zur Auslassseite hin mit zunehmend größeren Flankenlückenöffnungen ausgeführt wird. Dadurch soll eine Gasrückströmung zwischen den einzelnen Arbeitskammern mit entsprechendem Druckabbau erfolgen, so dass die Wärmeabführung günstiger wird. Dadurch werden jedoch das erreichbare Vakuum und der Wirkungsgrad verschlechtert. Denn um die Leckverluste gering zu halten, bedarf es bei trocken laufenden Verdrängervakuumpumpen enger Spalten zwischen den Verdrängern und dem Gehäuse bzw. zwischen zusammenwirkenden Verdrängerpaaren.
• Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine trocken laufende Verdrängervakuumpumpe gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die eine verbesserte Leistungscharakteristik ohne die erwähnten Schwierigkeiten bei höheren Ansaugdrücken zeigt. Die erfindungsgemäße Lösung besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1 und vorzugsweise in denjenigen der Unteransprüche.
• Demnach hat eine trockene Verdrängervakuumpumpe mehrere hintereinander angeordnete Kammern, deren Volumen zum Zwecke der inneren Verdichtung von der Saugseite zur Druckseite abnimmt. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Kammern Lecköffnungen aufweisen, nämlich insbesondere die unvermeidlichen Spalte zwischen den Verdrängern und dem Gehäuse sowie zwischen den Verdrängern. Die erfindungsgemäße Maßnahme besteht darin, dass der Lecköffnungsquerschnitt mindestens einer saugseitigen Kammer größer ist als der einer druckseitigen Kammer, wobei der unterschiedliche Lecköffnungsquerschnitt zumindest teilweise auf unterschiedlicher Spaltweite beruht. Einerseits bewirken die höheren saugseitigen Leckverluste bei hohem Ansaugdruck eine Verminderung der inneren Verdichtung und damit eine Verringerung der mit der Wärmeerzeugung und Leistungsaufnahme verbundenen Probleme. Andererseits - dies ist der Kern der erfinderischen Erkenntnis - sind die Leckverluste bei niedrigem Ansaugdruck wesentlich geringer. Das beruht auf der Tatsache, dass bei hohem Ansaugdruck die Rückströmung in den Lecköffnungen nach den Gesetzen der viskosen Strömung abläuft, während bei niedrigem Ansaugdruck molekulare oder Knudsensche Strömungscharakteristik vorliegt. Aus der Unterschiedlichkeit der Strömungsverhältnisse folgt, dass die Lecköffnungen bei niedrigen Ansaugdrücken sehr viel dichter sind als bei höheren Ansaugdrücken. Sie erlauben bei niedrigen Ansaugdrücken bessere Verdichtungswerte als bei hohen Ansaugdrücken. Dadurch erreicht man einerseits die gewünschte Entlastung bei hohen Ansaugdrücken, ohne andererseits entsprechende Nachteile bei niedrigen Ansaugdrücken in Kauf nehmen zu müssen.
• Diese Bemessung der Lecköffnungen widerspricht bisheriger Anschauung, dass man besonders auf der Saugseite eine gute Verdichtung durch enge Dichtspalte erreichen soll.
• Molekularströmung findet dann statt, wenn die mittlere freie Weglänge der Moleküle nicht wesentlich geringer ist als das charakteristische Querschnittsmaß der Öffnung. Viskose Strömung findet statt, wenn die mittlere freie Weglänge wesentlich kleiner als die Querschnittsabmessung ist. Der Begriff Knudsenströmung bezeichnet den Übergangsbereich zwischen den genannten beiden Strömungsarten.
• Die erfindungsgemäße Lehre läuft in der Regel darauf hinaus, dass die Spaltweiten zwischen Verdränger und Gehäuse sowie zwischen Verdrängerpaaren im saugseitigen Bereich der Pumpe wesentlich größer gemacht werden als im druckseitigen Bereich, wobei im druckseitigen Bereich die Spalten - wie generell üblich - so eng wie möglich sind. Das gilt für alle Verdrängerpumpen mit mehreren hintereinander angeordneten Kammern und vornehmlich für Schraubenspindelpumpen, Wälzkolbenpumpen und Klauenpumpen.
• Zusätzlich kann die Drehzahl - wie an sich bekannt - bei mittlerem bis hohem Saugdruck unter die Drehzahl abgesenkt werden, die bei geringem Saugdruck vorgesehen ist. Dadurch wird die Zeitdauer, die für die Rückströmung aus einer Kammer zur Verfügung steht, gegenüber der Normaldrehzahl im Verhältnis der Drehzahlen vergrößert. Während dieser Effekt bei bekannten Pumpen nicht ausreichend ist, weil dort die geringe Spaltweite auch bei langsamer Drehzahl eine ins Gewicht fallende Rückströmung verhindert, führt die Drehzahlabsenkung in Verbindung mit den erfindungsgemäß größeren Spaltweiten zu einem synergistischen Effekt im Sinne einer beträchtlichen Herabsetzung der Wärmeerzeugung und des Drehmomentbedarfs bei mittlerem und hohem Ansaugdruck.
• Die Erfindung vermeidet wirksam die Überverdichtung auch im Bereich von 200 bis 300 Millibar und macht dadurch eine Überdimensionierung von Kühlung und Antrieb unnötig. Es wird eine hohe innere Verdichtung ermöglicht, die bei niedrigen Saugdrücken Leistung und Kühlung verringert bzw. das Saugvermögen erhöht.
• Obwohl der Verdränger mit einem hohen geometrischen Verdichtungsverhältnis ausgestattet ist, ist im mittleren und hohen Druckbereich (über 200 Millibar) die innere Verdichtung an der Saugseite so gering, dass die effektive innere Verdichtung und damit auch die Leistungsaufnahme wesentlich hinter der theoretischen Verdichtung, die man aufgrund des geometrischen Verdrängerverhältnisse errechnet, zurückbleibt. Hierdurch nimmt zwar das Saugvermögen bei hohen Drücken ab; dafür kann jedoch bei niedrigen Drücken, bei denen es hauptsächlich gebraucht wird, ein wesentlich höheres Saugvermögen bei niedriger Antriebsleistung erreicht werden. Da die innere Verdichtung nicht mehr allein durch die Geometrie der Verdränger, sondern auch durch das Verhältnis der saugseitigen Spaltströme zum theoretischen Saugvermögen bestimmt wird, ergibt sich auch die Möglichkeit, durch Reduzierung der Drehzahl (die mit einer Verringerung des theoretischen Saugvermögens gleichzusetzen ist) die innere Verdichtung (wenn auch auf Kosten des Saugvermögens) zusätzlich zu beeinflussen. Auch das Problem der Überverdichtung bei atmosphärenahem Druck wird dadurch wesentlich verringert.

Claims (3)

1. Trockene Verdrängervakuumpumpe mit mehreren hintereinander angeordneten, unter Belassung von Lecköffnungen abgeschlossenen Kammern, deren Volumen von der Saugseite zur Druckseite abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Lecköffnungsquerschnitt mindestens einer saugseitigen Kammer größer ist als der einer druckseitigen Kammer und dass der unterschiedliche Lecköffnungsquerschnitt zumindest teilweise auf unterschiedlicher Spaltweite beruht.
2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schraubenspindelpumpe ist und die Kammern an denselben Spindeln gebildet sind.
3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie für eine geringere Drehzahl bei mittlerem und höherem saugseitigen Druck als bei niedrigem saugseitigen Druck eingerichtet ist.