EP2567096B1

EP2567096B1 - Schrauben-vakuumpumpe

Info

Publication number: EP2567096B1
Application number: EP11718056.2A
Authority: EP
Inventors: Thomas Dreifert; Magnus Janicki; Peter Birch; Roland Müller
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2010-05-04
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-05-03
Also published as: EP2567096A2; TW201200733A; JP5860035B2; CN102884324A; KR20130100911A; WO2011138318A3; TWI568935B; WO2011138318A2; CN102884324B; DE102010019402A1; JP2013525690A; KR101855398B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schrauben-Vakuumpumpe.
Schrauben-Vakuumpumpen weisen in einem durch ein Pumpengehäuse ausgebildeten Schöpfraum zwei Schraubenrotoren auf. Die Schraubrotoren sind üblicherweise zweiseitig gelagert und können unterschiedlich ausgebildete Steigungsprofile aufweisen. Die Rotoren können ein symmetrisches oder asymmetrisches Zahnprofil aufweisen wie beispielsweise in "Wutz", Handbuch Vakuumtechnik, 10. Auflage, 2010 S. 270-277 beschrieben. Derartige Rotoren weisen i. d. R. ein eingebautes Verdichtungsverhältnis, d. h. ein Verhältnis des Kammervolumens der saugseitigen Kammer zur druckseitigen Kammer von weniger als 4 auf. Höhere Verdichtungsverhältnisse führen zu sehr hohen Leistungsaufnahmen bei hohen Ansaugdrucken. Dies würde den Einsatz unverhältnismäßig großer Antriebsmotoren erfordern (s. "Wutz" a.a.O. S. 276). Ferner besteht bei der Erhöhung der Verdichtung das Problem, dass hohe Temperaturen im druckseitigen Bereich der Schraubenrotoren auftreten, Die Wärmeabfuhr ist hierbei über das Pumpengehäuse nicht mehr möglich, sodass eine Wärmeabfuhr über eine Innenkühlung der Schraubenrotoren erfolgen müsste. Dies ist technisch aufwändig und erhöht die Herstellungs- und Wartungskosten der Schraubenvakuumpumpe.
Um hohe eingebaute Verdichtungsverhältnisse zu ermöglichen ist in VDI-Bericht Nr. 1932, 2006 beschrieben, die Spalthöhe zu variieren. Hierbei ist beschrieben die Spalthöhe, d.h. insbesondere den Abstand zwischen dem Schraubenrotor und dem Pumpengehäuse, derart auszugestalten, dass er saugseitig größer als druckseitig ist. Aufgrund der druckabhängigen Strömungsarten, die viskos oder molekular sind, ist ein saugseitig größerer Spalt akzeptabel. In Kombination mit einer Absenkung der Rotordrehzahl bewirkt dieser bei hohen Ansaugdrücken eine Verminderung der inneren Verdichtung. Dies hat eine geringere Verdichtungsleistung zur Folge woraus eine geringere Wärmeerzeugung resultiert. Nachteilig ist jedoch, dass die Verminderung der inneren Verdichtung auch eine Verringerung des Saugvermögens zur Folge hat.
Ferner sind einseitig, bzw. fliegend gelagerte Rotoren bekannt. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass nur ein Lager vorgesehen sein muss. Dies ist druckseitig, bzw. auf der Seite des Getriebes angeordnet. Das zweite Lager, das im Bereich der niedrigen Drücke saugseitig angeordnet ist, kann hierbei entfallen. Fliegend gelagerte Schraubenrotoren müssen jedoch kurz bauende Rotoren aufweisen, da ansonsten die Gefahr des Berührens der Rotoren im Betrieb besteht. Die relativ geringe Baulänge der Rotoren hat zur Folge, dass die Anzahl der Windungen gering ist. Ferner weisen fliegend gelagerte Rotoren einen verhältnismäßig großen Durchmesser auf. Das Verhältnis der Rotorlänge zum Abstand der Rotorachsen ist hierbei üblicherweise kleiner als 2,5.
In Dokument 198 00 711 wird eine Schraubenvakuumpumpe bei der durch eine Variation der Steigung bzw. eine Variation der Zahnhöhe der verwendeten Schraubenrotoren das eingebaute Verdichtungsverhältnis auf bis zu 10 erhöht werden kann. Hierbei kann die Variation schrittweise oder kontinuierlich vorgesehen sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schraubenvakuumpumpe mit einem "eingebauten Verdichtungsverhältnis" von mindestens 4,5 zu schaffen, wobei eine einfache Wärmeabfuhr realisiert ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Schraubenvakuumpumpe weist ein einen Schöpfraum ausbildendes Pumpengehäuse auf. In dem Pumpengehäuse sind zwei Schraubenrotoren angeordnet. Da die erfindungsgemäßen Schraubenrotoren lang sind, handelt es sich um jeweils beidseitig gelagerte Schraubenrotoren, sodass je Schraubenrotor zwei Lagerelemente vorgesehen sind. Ferner weisen die Schraubenrotoren einen relativ geringen Durchmesser auf, sodass das Verhältnis der Länge des Schraubenrotors zum Abstand der Rotorachsen größer als 3,0 insbesondere größer als 3,5 und besonders bevorzugt größer als 4,0 ist. Des Weiteren weisen die erfindungsgemäßen Schraubenrotoren eine variable Steigung und mindestens 7, insbesondere mindestens 9 und besonders bevorzugt mindestens 11 Windungen auf. Das erfindungsgemäße Verdichtungsverhältnis beträgt mindestens 4,5 vorzugsweise mindestens 5. Um bei einem erfindungsgemäß großen Verdichtungsverhältnis ein Überhitzen des Rotors zu vermeiden, weist der Rotor druckseitig mehrere Windungen auf, deren Steigung nur geringfügig oder nicht variiert. Erfindungsgemäß ist daher die Steigung im Bereich bei der Hälfte der Windungen kleiner als die zweifache Steigung am Rotorauslass. Insbesondere ist die Steigung im Bereich bei der Hälfte der Windungen kleiner als die 2-fache Steigung, besonders bevorzugt kleiner als die 1,5-fache Steigung am Rotorauslass. Aufgrund der erfindungsgemäßen geringen Steigungsänderung auf der Druckseite der Rotoren und der vorzugsweise entsprechend gewählten Spalthöhe erfolgt die Kompression über einen längeren Bereich des Rotors. Dies hat den erfindungsgemäßen wesentlichen Vorteil, dass eine bessere Wärmeabfuhr möglich ist. Dies ist darin begründet, dass die Verdichtungsarbeit und somit die Abwärme im Wesentlichen im Bereich der hohen Drücke auftritt und aufgrund des erfindungsgemäß deutlich verlängerten Bereichs, in dem diese hohen Drücke auftreten, die Gehäusefläche zur Wärmeaufnahme größer ist. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schrauben-Vakuumpumpe sind Schraubenrotoren vorgesehen, die jeweils nur einen Gewindegang aufweisen.
Aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen druckseitig langen Bereichs, in dem die Schraubenrotoren eine geringe Steigungsänderung aufweisen, ist es somit möglich, Verdichtungsverhältnisse von mindestens 4,5 zu realisieren und die hierbei auftretende Wärme abzuführen, sodass ein Überhitzen der Rotoren vermieden ist. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass die Wärmeabfuhr nur im druckseitigen Bereich erfolgen kann, da in Bereichen niedriger Drücken bzw. hohen Vakuums aufgrund der geringen Gasdichte eine ausreichende Wärmeübertragung auf das Gehäuse nicht möglich ist.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schraubenrotoren mit einem hohen eingebautem Volumenverhältnis weist ferner den Vorteil auf, dass bei geringen Drücken die Leistungsaufnahme gering ist. Es kann hierdurch eine Leistungsaufnahme bezogen auf das Saugvermögen von unter 12 W/(m³h) für Ausgangsdrücke unter 10 mbar realisiert werden.
In besonders bevorzugter Ausführungsform erfolgt die Wärmeabfuhr ausschließlich über das Pumpengehäuse. Neben der Wärmeabfuhr, die über das Medium selbst erfolgt, erfolgt somit die Wärmeabfuhr vorzugsweise ausschließlich über das Pumpengehäuse. Eine Rotor-Innenkühlung, die technisch aufwändig ist, muss somit nicht vorgesehen werden.
Ferner weist das erfindungsgemäße Vorsehen mehrerer Windungen mit geringer Steigungsänderung im druckseitigen Bereich der Rotoren den Vorteil auf, dass die Geräuschentwicklung deutlich verringert ist. Dies liegt darin begründet, dass die Kompression über einen längeren Bereich erfolgt und somit der Druckunterschied zwischen der letzten Kammer und dem Bereich des Gasaustritts geringer ist. Hierdurch ist die Rückbelüftung verringert, wobei bei der Rückbelüftung Druckwellen entstehen, die die Geräuschentwicklung hervorrufen. Aufgrund der geringeren Rückbelüftung ist auch die Geräuschentwicklung bei freiem Ausblasen um 3 bis 6 dB(A) verringert. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass ein kleineres Schall-Dämpfungselement vorgesehen werden kann. Aufgrund der Möglichkeit, das Bauvolumen des Dämpfers zu reduzieren, kann somit die Vergrößerung der Baulänge der Vakuumpumpe aufgrund der längeren Schraubenrotoren zumindest teilweise wieder kompensiert werden.
Ferner ist es bevorzugt, dass das Profil der Schraubenrotoren im Wesentlichen symmetrisch ist. Bevorzugt sind hierbei beispielsweise trapezartige Profile, Zykloidenprofile oder Evolventenprofile. Bevorzugt ist es, dass die Spalthöhe, d. h. insbesondere der Abstand zwischen den Schraubenrotoren und der Gehäuseinnenwand so gewählt ist, dass sich die Kompression über einen längeren Bereich an der Auslassseite des Rotors erstreckt. Besonders bevorzugt ist hierbei im kalten Zustand der Turbomolekularpumpe ein Verhältnis Kaltspalthöhe/Achsabstand > 2/1000. Ferner bevorzugt ist es, dass im Betriebszustand, d. h. bei Erreichen der Betriebstemperatur ein Verhältnis von Kaltspalthöhe/Achsabstand > 12/1000 besteht. Erfindungsgemäß werden die Spalthöhen vorzugsweise so gewählt, dass bei Enddruckbetrieb ein mittlerer Kammerdruck von 100 mbar erst nach etwa 20 % der Rotorlänge, von der Anlassseite aus gemessen, unterschritten wird.
In bevorzugter Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Schrauben-Vakuumpumpe eine Nenndrehzahl Drehzahl von mehr als 5000 Umdrehungen pro Minute auf. Ferner kann zur Vermeidung von Überkompressionen im druckseitigen Bereich der Schraubenrotoren ein Überdruckventil vorgesehen sein. Anstatt oder zusätzlich zu dem Vorsehen eines Überdruckventils ist es möglich, eine Drehzahlsteuerung vorzusehen. Durch ein entsprechendes Absenken der Drehzahl kann ebenfalls eine Überkompression vermieden werden. Durch beide Maßnahmen kann die Leistungsaufnahme bei hohen Ansaugdrücken und damit die installierte Motorleistung wirksam reduziert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Draufsicht zweier erfindungsgemäß ausgebildeten Schraubenrotoren und
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Schraubenrotors nach dem Stand der Technik im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Schraubenrotor in Verbindung mit einem schematischen Diagramm des Druckverlaufs,

Die beiden in Fig. 1 dargestellten Schraubenrotoren sind in einem nicht dargestellten Pumpengehäuse angeordnet. Durch das Pumpengehäuse ist der Schöpfraum 10 ausgebildet, in dem die beiden Schraubenrotoren 12, 14 angeordnet sind. Die beiden Schraubenrotoren weisen beidseitig Wellenansätze 16, 18 auf, die jeweils über Lagerelemente 20 in dem Pumpengehäuse drehbar gelagert sind. Zum Antrieb der beiden Schraubenrotoren 12, 14 ist üblicherweise ein Wellenansatz 18 oder alternativ ein Wellenansatz 16 unmittelbar oder über ein Getriebe mit einem Antriebsmotor verbunden. Der zweite Schraubenrotor wird über eine entsprechende Verzahnung (nicht dargestellt) durch denselben Antriebsmotor angetrieben, sodass die beiden Schraubenrotoren 12, 14 miteinander synchronisiert sind und sich in entgegengesetzte Richtung drehen. Durch die Schraubenrotoren erfolgt ein Ansaugen des zu fördernden Mediums auf einer Saugseite (Pfeil 22) und ein Ausstoßen des Mediums auf einer Druckseite (Pfeil 24).
Die Steigung der Schraubenrotoren ist durch die schräg verlaufenden Linien 26 dargestellt. Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass die Steigung über die Länge l des Rotors variiert. Im druckseitigen Bereich 28 ist die Steigung deutlich geringer als im saugseitigen Bereich 30. Die Steigung im druckseitigen Bereich 28 ist hierbei erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass die Steigung im Bereich 31 bei der Hälfte der Windungen maximal das Zweifache der Steigung am Rotorauslass 24 beträgt. Dies hat zur Folge, dass ein verhältnismäßig langer druckseitiger Bereich 28 ausgebildet ist, indem sich die Steigung nur geringfügig ändert. In dem druckseitigen Bereich 28 erfolgt die Kompression über den Großteil der Druckdifferenz zwischen Ein- und Auslass. Somit wird in dem Bereich 28 auch ein Großteil der Verdichtungsarbeit geleitet. Dies hat zur Folge, dass im Wesentlichen in diesem Bereich die abzuführende Wärme erzeugt wird. Hierbei erfolgt das Abführen der Wärme erfindungsgemäß durch das die Schraubenrotoren 12, 14 in dem druckseitigen Bereich umgebende Gehäuse.
Erfindungsgemäß handelt es sich um langbauende Schraubenrotoren 12, 14. Das Verhältnis der Länge l der Schraubenrotoren 12, 14 zu dem Abstand d der Rotorachsen ist daher erfindungsgemäß größer als 3,0.
In Fig. 2 ist im oberen Bereich ein erfindungsgemäßer Schraubenrotor 12 dargestellt, der dem Schraubenrotor 12, 14 in Fig. 1 entspricht. Darunter ist ein Schraubenrotor 32 nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Schraubenrotor 32 ist kürzer und weist in dem druckseitigen Bereich eine geringere Anzahl an Windungen auf, bei denen sich die Steigung nur geringfügig ändert. Bei dem Rotor 32 gemäß dem Stand der Technik ergibt sich ein Druckverlauf, wie schematisch durch die Linie 34 dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, dass im druckseitigen Bereich 36 des Schraubenrotors 32 ein starker Druckanstieg erfolgt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Rotors 12 ist der druckseitige Bereich 28 deutlich länger. Ferner ist die Spalthöhe entsprechend gewählt (Kaltspalthöhe/Achsabstand > 2/1000 und Warmspalthöhe/Achsabstand > 12/1000). Hierdurch ergibt sich der Druckanstieg entsprechend der Linie 38 im Diagramm, der flacher verläuft.

Claims

Schraubenvakuumpumpe, mit
einem einen Schöpfraum (10) ausbildenden Pumpengehäuse,
zwei in dem Schöpfraum (10) angeordneten Schraubenrotoren (12, 14), die über jeweils zwei Lagerelemente (20) in dem Pumpengehäuse gelagert sind und deren Verhältnis der Rotorlänge (I) zum Abstand der Rotorachsen (d) größer als 3,0 ist,
wobei die Schraubenrotoren (12, 14) eine variable Steigung, mindestens 7 Windungen und
ein eingebautes Verdichtungsverhältnis von mindestens 4,5 aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steigung im Bereich bei der Hälfte der Windungen kleiner als die zweifache Steigung am druckseitigen Rotorauslass (24) ist.
Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schraubenrotor (12, 14) nur einen Gewindegang aufweist.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Schraubenrotoren (12, 14) im Wesentlichen symmetrisch oder asymmetrisch ist.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeabfuhr ausschließlich das Pumpengehäuse aktiv gekühlt wird.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Rotorlänge (I) zum Abstand der Rotorachsen (d) größer 3,5 insbesondere größer 4 ist.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 9, vorzugsweise mindestens 11 Windungen je Schraubenrotor (12, 14) vorgesehen sind.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis mindestens 5, vorzugsweise mindestens 6 beträgt.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalthöhen so gewählt sind, dass sich ein Enddruck der Vakuumpumpe von mindestens 5 Pa ergibt.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Drehzahl mehr als 5000 Umdrehungen pro Minute beträgt.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Überkompression im druckseitigen Bereich (28) ein oder mehrere Überdruckventile angeordnet sind und/oder die Rotordrehzahl durch eine Drehzahlsteuerung steuerbar ist.