EP2615307B1

EP2615307B1 - Schraubenvakuumpumpe

Info

Publication number: EP2615307B1
Application number: EP12000151.6A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Dr. Dirscherl; Frank Dr. Gitmans; Gerhard Rüster; Markus Prasse
Original assignee: Vacuubrand GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuubrand GmbH and Co KG
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: EP2615307A1; CN103256224A; US20130183185A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Zahlreiche Prozesse in Forschung und Industrie erfordern ein Vakuum im Bereich 10² Pa bis 10^-2 Pa (Feinvakuumbereich), wobei häufig auch kondensierende und/oder aggressive Dämpfe oder Gase gefördert werden müssen. Zur Erzeugung eines Unterdrucks in diesem Bereich werden oft flüssigkeitsgedichtete oder - geschmierte Vakuumpumpen wie beispielsweise ölgedichtete Drehschieberpumpen eingesetzt. Die Verwendung von solchen Pumpen, bei denen das gepumpte Medium mit Öl oder anderen Flüssigkeiten in Berührung kommt, hat zahlreiche Nachteile. So können die gepumpten Medien den Schmierstoff verunreinigen oder mit ihm reagieren, was die Schmier- und Dichtwirkung herabsetzt. Rückströmung von gasförmigen Komponenten oder Zersetzungsprodukten des Schmierstoffes in die Prozessanlage kann die dortigen Prozesse empfindlich stören.
Aus diesem Grund wird seit langem an der Entwicklung sogenannter "trockener" Vakuumpumpen gearbeitet, also von Pumpen, bei denen die gepumpten Medien nicht mit einer Flüssigkeit in Berührung kommen.
Bei höheren Drücken, d.h. im Bereich 10⁵ Pa bis 10² Pa, sind Membranvakuumpumpen vorteilhaft, da der Schöpfraum durch die gasdicht eingespannte Membran hermetisch vom Antriebsbereich abgetrennt ist. Durch das begrenzte Verdichtungsverhältnis und die meist nur durch die Gasströmung betätigten Ventile lassen sich jedoch Drücke unterhalb 50 Pa nur schwer erreichen.
Neben Feinvakuumpumpen wie Kolbenpumpen, Scrollpumpen, Klauenpumpen und Rootspumpen sind auch Schraubenvakuumpumpen bekannt.
Bei Schraubenvakuumpumpen (kurz: Schraubenpumpen) kämmen zwei schraubenförmige Rotoren berührungslos in einem geeignet geformten Schraubenpumpenstator miteinander, so dass durch ihre gegenläufige Drehung Gas von einem Einlass zu einem Auslass gefördert wird. Alle Ausführungen hier wie im Folgenden beziehen sich auf berührungslos verdichtende, ölfreie Schraubenpumpen.
Ein Vorteil der Schraubenpumpen ist die hohe mögliche Verdichtung, da Schraubenpumpen intrinsisch vielstufig aufgebaut werden können, wobei jeder Schraubengang als Stufe wirkt. Damit bieten Schraubenpumpen die Möglichkeit, mit nur einem Rotorpaar ein gutes Endvakuum im Bereich < 1 Pa zu erzielen.
Bei Schraubenpumpen ist eine sogenannte fliegende Lagerung dieses Rotorpaars möglich. Bei einer fliegenden Lagerung erfolgt die Lagerung nur von einer Seite des Rotorpaars aus. Auf der anderen Seite des Rotorpaars ist keine Lagerung vorhanden. Damit kann der Schraubenpumpenstator ohne Lagerungseinheit ausgeführt werden. Das erlaubt eine einfache Demontage des Schraubenpumpenstators z.B. für Wartungs- und Reinigungszwecke.
Ein generelles Problem bei Schraubenpumpen ist die hohe Wärmefreisetzung gerade im Bereich der atmosphärenseitigen Verdichtung. Bei niedrigen Ansaugdrücken wird von der Saugseite nur wenig Gas zur Atmosphärenseite gefördert. Es erfolgt also nur geringer Gasaustausch innerhalb der Pumpe. Darüber hinaus herrscht bis zum letzten atmosphärenseitigen Schraubengang in den Schöpfräumen, die von den kämmenden Schraubengängen gebildet werden, ein Unterdruck.
Beim Öffnen des Schöpfraums am letzten atmosphärenseitigen Schraubengang im Zuge der Drehung des Rotors strömt Gas aus dem Auslass zurück in diesen Schöpfraum. Das eingeströmte Gas wird zusammen mit dem vom Saugstutzen hierher geförderten Gas im Zuge der Drehung der Rotoren wieder herausgedrückt. Dieses Pulsieren des Gases am Auslass verursacht einen hohen Antriebsleistungsbedarf und setzt große Wärmemengen in einem relativ kleinen Volumen frei.
Das Rückströmen des Gases kann durch am Schraubenrotor eng anliegende Endplatten mit Öffnungen an geeigneten Positionen verringert werden. Da diese Endplatten den Gasausstoß jedoch gleichzeitig behindern, ist durch diese Anordnung kaum eine Verbesserung zu erzielen.
Ein anderer Ansatz zur Verringerung der Rückströmung sind Rückschlagventile an solchen Endplatten. Diese müssten jedoch mit der Umdrehungsfrequenz der Rotoren öffnen und schließen. Dafür ist die Frequenz von typ. 6000 - 25000 min^-1 jedoch meist zu hoch, d.h. Rückschlagventile von ausreichender Größe reagieren zu träge.
Um das Temperatur- und Leistungs-Problem zu verringern, werden verbreitet Schraubenrotoren mit zum Auslass hin abnehmendem Schöpfraumvolumen eingesetzt. Dies kann beispielsweise durch verringerte Schraubensteigung oder verringerten Schraubenradius zur Auslassseite hin erreicht werden. Dies bewirkt eine interne Verdichtung von typisch 2 - 10. Auf diese Weise kann der Leistungsbedarf der Pumpe sowie die Wärmefreisetzung am atmosphärenseitigen Ende der Schraube bezogen auf das Saugvermögen der Pumpe nahezu um diesen Verdichtungsfaktor reduziert werden.
Nachteilig an dieser Methode ist, dass die Herstellung der Rotoren durch die stetige oder auch sprunghafte Schraubenprofiländerung deutlich schwieriger wird. Ein weiterer Nachteil ist, dass die interne Verdichtung bei hohen Ansaugdrücken zu inneren Überdrücken führen kann. Dies kann den Antriebsmotor überlasten und Schäden an der Pumpe hervorrufen. Oft sind daher aufwendige Überdruckventile im Schöpfraumstator im Bereich der internen Verdichtung erforderlich. Bei Förderung von inkompressiblen Flüssigkeiten - seien sie angesaugt oder aufgrund von Kondensation im Inneren entstanden - können sich hydrostatische Verblockungen ergeben, mit der Folge, dass die Pumpe aufgrund der Überlastung schlagartig stehen bleibt. Dies kann teure Folgeschäden am Aggregat und Antrieb zur Folge haben.
Ein anderer Lösungsansatz ist, zwei getrennte Schraubenpumpen mit unterschiedlichem Saugvermögen in Serienschaltung zu verwenden, die jede für sich keine interne Verdichtung aufweisen (siehe EP 0 811 766 B1 ), wobei zwischen die Pumpen ein Überdruckventil geschaltet werden kann (siehe WO 2007/088989 A1 ). Auch diese Ansätze verursachen jedoch großen baulichen Aufwand (zwei Pumpaggregate).
Um die Thermik zu beherrschen, wird bei bekannten größeren Schraubenpumpen häufig eine Flüssigkeitskühlung des Pumpengehäuses verwendet. Bei größeren Pumpen kommen auch Flüssigkeits-Innenkühlungen der Rotoren zur Anwendung, die jedoch aufwendig sind.
Nicht selten wird auch in den Bereich der letzten atmosphärenseitigen Schraubengänge Gas von außen in den Schöpfraum eingelassen. Das Spülgas kühlt diesen Bereich und transportiert erhitztes Gas weg von den letzten Schraubengängen. Nachteilig sind der hohe Aufwand sowie die unvermeidliche Verschlechterung des Endvakuums der Pumpe.
Für kompakte Schraubenpumpen mit typischen Rotorabständen von 20 - 100 mm und Saugvermögen < 50m³/h lässt sich aus Platz- und Kostengründen keine Flüssigkeits-Innenkühlung der Rotoren anwenden. Auch eine Flüssigkeitskühlung des Gehäuses wäre bei solchen Geräten nachteilig, da diese flexibel z.B. in Forschungslaboratorien eingesetzt werden sollen, während die üblichen, deutlich größeren Pumpen schon aus Gewichtsgründen meist ortsfest in industriellen Anlagen installiert werden. Kompakte Schraubenvakuumpumpen erfordern also neuartige Wege, die schwierige thermische Situation am atmosphärenseitigen Ende der Rotoren zu beherrschen.
Ein weiterer Aspekt für kompakte Schraubenvakuumpumpen ist die Materialauswahl für die Rotoren. Üblicherweise bestehen solche Schraubenrotoren, die oft einteilig mit den Rotorwellen ausgeführt werden, aus Gusseisen- oder Stahllegierungen, da diese eine hohe Steifigkeit (E-Modul) und gute Bearbeitbarkeit aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialklasse ist nur mittelmäßig, reicht in Verbindung mit äußerer Wasserkühlung und ggf. innerer Ölkühlung i.A. aber aus. Auch sind bei solchen Materialien Temperaturen der Rotoren von > 150°C an der Oberfläche noch akzeptabel.
Nachteilig an herkömmlichen Stählen und auch Gusseisenlegierungen ist die nur begrenzte chemische Beständigkeit. Aggressive Chemikalien müssen von solchen Pumpen mit Kühlfallen o.ä. ferngehalten werden. Zudem wird häufig mit Spülgas gearbeitet, was aufwendig ist. Dennoch zeigen solche Pumpen beim Fördern aggressiver Medien oft nur kurze Standzeiten.
Chemisch hochbeständige Stahllegierungen wie Hastelloy lassen sich meist nur schwierig bearbeiten, was die Fertigung der oft kompliziert geformten und eng tolerierten Schraubenprofile aufwendig und teuer macht.
Ein weiterer Nachteil von Stahl- oder Gussrotoren ist das hohe Gewicht, das sich negativ auf die benötigte Antriebsleistung beim Beschleunigen sowie die Unwucht der Rotoren auswirkt. Ansätze für die Vermeidung dieses Problems mit Hilfe eines Rotors aus Aluminium auf einer Stahlwelle sind bekannt ( DE 100 39 006 A1 ).
Für Anwendungen mit chemisch aggressiven Stoffen wären Rotoren aus chemisch beständigen Kunststoffen vorteilhaft. Aufgrund der nur begrenzten Steifigkeit (niedriges E-Modul) von Kunststoffen ist im Allgemeinen eine Welle aus steiferem Material im Inneren des Rotors erforderlich. Eine solche Anordnung, bestehend aus einem Rotor aus Kunststoff mit einer Stahl-Rotorwelle im Inneren, ist bekannt ( WO 2010/061939 A1 ).
Nachteilig an der zuvor genannten Anordnung ist, dass nahezu alle praktisch verwendbaren Kunststoffe eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Selbst mit hohem Füllstoffanteil wie z.B. Kohlefaser lässt sich kaum eine Wärmeleitung größer als 1 W/m · K erzielen. Für die Anwendung in der Schraubenpumpe bedeutet dies, dass bei hoher Wärmefreisetzung am atmosphärenseitigen Ende des Rotors die Wärme nicht ausreichend abtransportiert wird und sich das Kunststoffmaterial dort lokal schnell auf hohe Temperaturen erhitzt. Dies kann zu hoher thermischer Ausdehnung oder sogar thermischer Schädigung (Zersetzung, Schmelzen) des Materials führen. Die hohe thermische Ausdehnung ist nachteilig, da sich dann die schnell (typ. > 6000 min^-1) mit engem Abstand (typ. < 0,1 mm) aneinander vorbei laufenden Rotoren berühren können, was zu erheblichen Folgeschäden führen kann.
Die zuvor geschilderten Probleme bei Schraubenrotoren für eine Schraubenvakuumpumpe sind im Stand der Technik bereits angesprochen worden ( GB 2 243 189 A ). Hier sind zur Anwendung in Verbindung mit chemisch aggressiven Stoffen in einer Schraubenvakuumpumpe zwei miteinander im Eingriff laufende Rotoren vorgesehen, die aus Gusseisen bestehen, jedoch mit einer dünnen Beschichtung aus schützenden Werkstoffen, insbesondere aus Kunststoff, versehen sind. Die Problematik der hohen Wärmefreisetzung und des Abtransports der Wärme wird hier nicht angesprochen. In der Tat ist es dort so, dass wegen der Ausführung der Rotorkerne der Rotoren aus Gusseisen die Wärmeleitfähigkeit nicht hoch genug ist, um das Kunststoffmaterial tatsächlich vor zerstörerischen Erhitzungen zu schützen. Da die Rotorwelle hier vom Rotorkern getrennt ist, der Rotorkern also auf die Rotorwelle aufgekeilt ist, ist hier auch konstruktiv eine für die Wärmeabfuhr keineswegs optimale Lösung offenbart.
Die WO 03/042542 A1 , die den Ausgangspunkt für die Lehre der vorliegenden Erfindung bildet, offenbart eine flüssigkeitsgekühlte Schraubenvakuumpumpe. Darüber hinaus ist ein Lüftrad vorgesehen, welches außerhalb des Antriebs und Lagerbereichs und jenseits der Lagerung der Rotorwelle angeordnet ist. Dieses Lüftrad dient nur zur Beaufschlagung eines Wärmetauschers der Flüssigkeitskühlung.
Aus der WO 88/01695 A1 geht ein Rotor für eine Schraubenvakuumpumpe hervor. Der Rotor weist einen Kern aus einem ersten Material und eine auf dem Kern aufgebrachte Zwischenschicht aus einem zweiten Material auf. Die Oberfläche des Rotors ist mit einer Kunststoffschicht beschichtet.
Ausgehend von dem zuletzt erläuterten Stand der Technik liegt der Lehre das Problem zugrunde, eine kompakt aufgebaute Schraubenvakuumpumpe anzugeben, bei dem ein Einsatz im Labor unter chemisch aggressiven Bedingungen jedenfalls konstruktiv möglich ist und gleichwohl die zuvor geschilderten thermischen Probleme gelöst sind, indem eine effektive Wärmeabgabe von der Rotorwelle an die umgebende Luft ermöglicht wird.
Das zuvor aufgezeigte Problem ist bei einer Schraubenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Pumpe sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 9.
Zusammenfassend ergeben sich folgende Vorteile der Rotoren für kompakte Schraubenpumpen für Einsätze in Forschung und Industrie insbesondere mit chemisch aggressiven Stoffen:

Eine effektive Kühlung des Rotors ist möglich.
Der Rotor hat eine geringe Wärmeausdehnung.
Die Rotorwelle hat eine ausreichend hohe Steifigkeit (E-Modul).
Die Oberfläche des Rotors kann bei Verwendung eines passenden Werkstoffs für die Rotorhülle eine hohe chemische Beständigkeit aufweisen und berührungstolerant sein, also bei Berührung des Gegen-Schraubenrotors nicht zu Fressern neigen.
Zur Verringerung potentieller Unwuchten kann der Rotor recht leicht sein.
Die Fertigung des oft sehr anspruchsvollen und eng tolerierten Schraubenprofils wird bei Verwendung passender Werkstoffe für die Rotorhülle durch eine gute Bearbeitbarkeit des Materials des Rotors erleichtert.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die Erkenntnis, dass die Kühlung des Schraubenrotors bei kompakt bauenden Schraubenpumpen hauptsächlich durch Wärmeabfuhr über den Rotor und die Rotorwelle aus dem Schöpfraum heraus erfolgen muss. Dafür ist vorgesehen, den Rotor mit einem Rotorkern aus einem hochwärmeleitfähigen Material aufzubauen, der von einer Rotorhülle, bevorzugt aus einem chemisch beständigen Kunststoff, umgeben ist. Als hochwärmeleitfähiges Material werden Materialien mit Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m · K, vorzugsweise von mehr als 200 W/m · K, eingesetzt, also beispielsweise Aluminium oder Kupfer und einige Legierungen. Kunststoffe und Eisenlegierungen (Stahl, Gusseisen) erreichen diese Werte nicht und weisen keine ausreichende Wärmeableitung für eine effektive Kühlung der Rotors nach innen oder über die Rotorwelle auf.
In einer bevorzugten Ausführung besteht auch die Rotorwelle aus einem hochwärmeleitfähigen Material, so dass die Wärme vom Rotor über die Rotorwelle per Festkörper-Wärmeleitung aus dem Schöpfraum heraus transportiert wird. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Rotorwelle mit dem Rotorkern einteilig ausgeführt ist, da dann die Festkörper-Wärmeleitung im Inneren des Rotorkerns ohne störende Grenzflächen bis in die Rotorwelle nach außen erfolgt.
In einer alternativen Ausführung wird für die Rotorwelle anstelle eines massiven hochwärmeleitfähigen Materials eine hohle Welle verwendet, durch die ein Kühlgas wie z.B. Luft gefördert wird, welches bevorzugt durch die Drehung der Welle selbst angesaugt wird, beispielsweise durch eine Art Gebläse auf einem freien Wellenende. Das Kühlgas wird durch die Rotorwelle bis in den Bereich der höchsten Wärmefreisetzung geleitet und kühlt dort den hochwärmeleitfähigen Rotorkern von innen. Das erhitzte Gas wird beispielsweise in den Auslass der Pumpe abgegeben und kann dort als Spülgas dienen, oder durch die Rotorwelle wieder zurück geführt. Auch in dieser Ausführung besteht der Rotor also aus einem hochwärmeleitfähigen Rotorkern, der von einer Rotorhülle umgeben ist, wobei der Rotorkern in Kontakt mit der hohlen Rotorwelle oder direkt mit dem Kühlgas steht. Auch das Material der hohlen Rotorwelle kann hochwärmeleitfähig sein.
Die Dicke des Umhüllungsmaterials, also der Rotorhülle, ergibt sich einerseits aus der Notwendigkeit, dass die Schicht diffusionsdicht und mechanisch stabil ist, und zum anderen daraus, dass die Wärmeleitung durch die Schicht zum Kernmaterial noch ausreichend hoch ist, um eine Überhitzung an der Oberfläche zu vermeiden. Erfindungsgemäß bedeutet dies, dass das hochwärmeleitfähige Kernmaterial in einer bevorzugten Ausführung bis in die Schraubengänge reicht, und nicht nur als im Wesentlichen zylindrisches Teil vorliegt. Das bedeutet, das hochwärmeleitfähige Material weist zumindest in diesem Abschnitt das Schraubenprofil (verringert um die Umhüllungswanddicke) auf, wobei das Umhüllungsmaterial in diesen Bereichen bevorzugt eine Dicke von 0.1 - 10 mm hat.
Obwohl die Rotorhülle oft nur eine vergleichsweise geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit von meist < 5 W/m · K (typisch beispielsweise für Kunststoffe) aufweist, wird aufgrund der geringen Dicke der Rotorhülle eine ausreichende Wärmeableitung durch diese Schicht zum Rotorkern erzielt. Aus der Anwendung ergibt sich, dass der hochwärmeleitfähige Rotorkern bevorzugt im Bereich der höchsten Wärmefreisetzung, also am atmosphärenseitigen Ende des Rotors, in denen eine hohe Wärmeabfuhr durch den Rotor erforderlich ist, nach außen in die Schraubengänge reicht.
In einer Ausführungsform weist der Rotor jedoch einen oder mehrere Abschnitte auf, in denen der hochwärmeleitfähige Rotorkern nicht oder nicht vollständig bis nach außen in die Schraubengänge reicht. Zur Erläuterung sollen mögliche Materialien für den Rotorkern und die Rotorhülle betrachtet werden.
Die Umhüllung eines Rotorkerns kann auf mehrere Arten erfolgen. Wird eine sehr dünne Beschichtung (< 0.1 mm) aufgetragen, kann auf eine mechanische Nacharbeit der Schicht unter Umständen verzichtet werden. Häufig sind solche Schichten aber nicht völlig diffusionsdicht, so dass die Schicht von den gepumpten Medien unterwandert werden kann und dann unter Vakuum abplatzt. Bei dickeren Beschichtungen muss die Schraubenprofilform aufwendig nachgearbeitet werden. Dickere Beschichtungen werden meist nach dem Auftrag (z.B. mittels elektrostatischer Pulverbeschichtung) aufgeschmolzen. Dies führt häufig zur Verrundung der Kanten, so dass sich nach der Endbearbeitung an Außenkanten Fehlstellen ergeben.
Von diesen Beschichtungsverfahren zu unterscheiden ist die Umspritzung eines Rotorkerns mit einem thermoplastischen Kunststoff. Bei diesem Verfahren lässt sich die Schichtdicke nahezu beliebig (also auch diffusionsdicht) wählen und die Kanten werden exakt ausgeformt. Gleichzeitig erlaubt dieses Verfahren, auch größere Kunststoffvolumina zu füllen.
Vergleicht man die mechanischen und thermischen Kennzahlen verschiedener Werkstoffe, so ergibt sich, dass von den Materialien mit sehr hoher Wärmeleitung von >100 W/m · K Kupfer und einige Kupferlegierungen als sehr geeignet erscheinen. Grund dafür sind die hohe Wärmeleitfähigkeit, die noch akzeptable Wärmeausdehnung und das noch akzeptable E-Modul. Aluminium und seine Legierungen zeigen bei allen drei Parametern deutlich schlechtere Werte, sind aber leichter. Aufgrund des deutlich geringeren E-Moduls eignet sich Aluminium nur schlecht als Rotorwellenmaterial, kann jedoch als Rotorkernmaterial eingesetzt werden, wobei die Rotorwelle dann aus einem anderen Material wie Kupfer oder aus einer Hohlwelle mit Gasinnenkühlung bestehen müsste. Zum Schutz korrosionsempfindlicher Materialien wie Kupfer können diese beschichtet werden, beispielsweise mit Ni, Cr, Ag oder Au.
Andere Metalle mit hoher Wärmeleitung wie Gold, Silber, Alkali- und Erdalkalimetalle, Zink, Molybdän oder Wolfram und ihre Legierungen scheiden wegen zu hoher Materialkosten, schlechter Bearbeitbarkeit, Reaktivität oder niedrigem E-Modul aus. Neuartige Materialien wie CFK weisen oft anisotrope und schwer beherrschbare Eigenschaften auf, insbesondere bei der Formung von Volumenkörpern. Zudem ist die Herstellung oft teuer und aufwendig. Auch spezielle Keramiken wie AIN weisen interessante Materialeigenschaften auf, sind jedoch schwer zu bearbeiten. Dennoch sind dies zukünftig interessante Materialien für den Rotorkern oder Teile des Rotorkerns von erfindungsgemäßen Rotoren.
Nachteilig an Kupfer sind das hohe spezifische Gewicht und die vergleichsweise hohen Materialkosten. Daher ist der zweite Aspekt der Erfindung, dass also das hochwärmeleitfähige Kernmaterial nur dort wo thermisch nötig, also insbesondere im Bereich der atmosphärenseitigen Verdichtung, nach außen bis dicht unter die Kunststoffoberfläche reicht, besonders vorteilhaft. In anderen, thermisch weniger belasteten Bereichen des Rotors kann auf die Ausformung des Kernmaterials bis in die Schraubengänge hinein verzichtet werden und der Rotor kann dort aus einem relativ kleinen zylindrischen Rotorkern umgeben von Kunststoff als Rotorhülle bestehen.
Als Umhüllungsmaterial kommen bevorzugt chemisch hoch beständige Kunststoffe wie PPS, PEEK oder Fluorkunststoffe zum Einsatz, die bevorzugt mit Füllstoffen wie Kohle- oder Glasfaser verstärkt sind. Beispielsweise weist PEEK mit Kohlefaserverstärkung nur ca. 16% der Dichte von Kupfer auf. Damit lässt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei der hochwärmeleitfähige Kernmaterial nur dort wo thermisch nötig, also insbesondere im Bereich der atmosphärenseitigen Verdichtung, nach außen bis dicht unter die Kunststoffoberfläche reicht, das Gewicht des Schraubenrotors und somit potentielle Unwuchten erheblich verringern. Profilbedingte Unwuchten können bereits am Rotorkern weitgehend ausgeglichen werden, so dass am komplettierten Rotor nur noch kleine Korrekturen an der Rotorhülle erforderlich sind, wodurch auf großer Wuchtringe oder Bohrungen verzichtet werden kann.
Weitere Vorteile von Materialien wie PPS, PEEK oder Fluorkunststoffen sind die gute Bearbeitbarkeit und die Berührungstoleranz, also geringe Fresserneigung. Die Bearbeitung von solchen Kunststoffen ist erheblich einfacher, schneller und damit kostengünstiger als beispielsweise von hochkorrosionsfesten Edelstählen.
Diese Anordnung ergibt somit einen Rotor mit chemisch hochbeständiger und diffusionsdichter Oberfläche bei zugleich sehr hoher Wärmeleitung der Gesamtanordnung - zumindest im Bereich großer Wärmefreisetzung im Betrieb - bei überraschend günstigen Herstellkosten. Letzteres ergibt sich, da Werkstoffe wie Kupfer oder Aluminium nur dort eingesetzt werden wo nötig, materialsparende Fertigungsverfahren wie Spritzgießen angewandt werden, und die Materialien leicht bearbeitbar sind.
Für die zuverlässige Anbindung der Rotorhülle an den Rotorkern ist eine formschlüssige Verbindung möglichst mit Hinterschnitten zur Verzahnung nötig, falls keine ausreichende Materialhaftung erreichbar ist. Dazu können in den Rotorkern beispielsweise Nuten, Bohrungen oder Rillen eingebracht werden. Auch eine raue Oberfläche des Rotorkerns beispielsweise durch Sandstrahlen ist hilfreich.
Die Vorteile des Rotors werden in der Anordnung der Schraubenpumpe mit fliegend gelagerten Rotoren besonders deutlich. Bei fliegend gelagerten Rotoren wird der Lagerungs- und Antriebsbereich bevorzugt unter Umgebungsluftdruck und nicht in Kontakt mit den gepumpten Medien stehen. Damit dieser Lagerungs- und Antriebsbereich nicht mit einem Wellendichtring o.ä. zum Schöpfraum abgedichtet werden muss, wird die Druckseite des Pumpaggregats meist auf der Antriebsseite angeordnet werden.
Dieser Bereich ist thermisch doppelt belastet, zum einen vom Motor, zum anderen von der Verdichtungswärme am atmosphärenseitigen Schraubenrotorende. Bei Einsatz hocheffizienter Synchronmotoren oder eines Getriebes und bei leistungsfähiger Kühlung des Antriebsbereichs beispielsweise mittels Gebläse ist der Antriebsbereich jedoch recht einfach auf niedriger Betriebstemperatur haltbar.
Die Abwärme aus der Verdichtung kann ein Vielfaches der Motorabwärme betragen. Der Rotoraufbau erlaubt nun eine sehr effektive Ableitung der Verdichtungswärme aus dem Schöpfraum in Richtung des gut gekühlten Antriebsbereichs mit Hilfe der hochwärmeleitfähigen Rotorwelle aus einem Massivmaterial.
Erfindungsgemäß sitzt im Antriebsbereich auf der Rotorwelle ein Mittel zur Abgabe dieser Wärme an die umgebende Luft. Dabei kann es sich beispielsweise um ein mitlaufendes Lüfterrad oder Scheiben beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium handeln. Diese geben die Wärme von der Rotorwelle aufgrund der schnellen Rotation sehr effektiv an die Luft ab. Die erhitzte Luft kann durch einen von außen angelegten Kühlluftstrom abgeführt werden. Ein von einem mitlaufenden Lüfterrad erzeugter Luftstrom kann auch zur Kühlung des Motors dienen.
Gerade bei fliegender Lagerung der Rotoren ist es wichtig, am von den Lagern entfernten Ende der Rotoren möglichst geringe Massen zu haben. Große bewegte Massen weit entfernt von der Lagerung können schon bei geringer Unwucht zu großen Auslenkungen und damit Rotorkollisionen führen.
Vorzugsweise ist der hochwärmeleitfähige Rotorkern (mit oft hoher Dichte) außerhalb des thermisch hochbelasteten Teils des Rotors nicht bis dicht unter die Kunststoffoberfläche gezogen, sondern wird vielmehr möglichst weit reduziert. Dies verringert die bewegten Massen gerade am von der Lagerung entfernten Ende des Rotors erheblich.
Für die maßhaltige Bearbeitung der (in der Pumpe) fliegend gelagerten Rotoren ist je nach Fertigungsverfahren eine Aufnahme des Rotors in der Bearbeitungsmaschine auch auf der dem Lager abgewandten Seite erforderlich. Falls die Rotorhülle hierfür ungeeignet ist, kann der hochwärmeleitfähige Rotorkern stirnseitig auch auf der dem Lager abgewandten Seite nach außen geführt sein. Falls erforderlich, muss dieser Bereich später vor Korrosionsangriff geschützt werden, beispielsweise durch Abdeckung mit einem Stopfen beispielsweise aus PTFE. Alternativ kann die stirnseitige Aufnahme auch mit Hilfe eines hochkorrosionsfesten Metalls wie Hastelloy, welches fest mit dem Kernmaterial verbunden ist, erfolgen.
Alternativ für die fliegende Lagerung ist der hochwärmeleitfähige Rotorkern und/oder die Rotorwelle nicht über die gesamte Länge des Schraubenrotors mit vollem Querschnitt vorhanden, oder hohl, oder fehlt völlig. Der der Lagerung abgewandte Teil des Rotors kann dann aus massivem Umhüllungsmaterial bestehen oder eine Ausnehmung aufweisen. Alle diese Ausprägungen führen zu einer deutlichen Verringerung der bewegten Massen im dem Lager fernen Bereich des Rotors.
Die Herstellung des hochwärmeleitfähigen Rotorkerns beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium oder einer -legierung kann aus dem Vollen erfolgen, oder bevorzugt durch Befestigung einer hohlen Schraube auf einer Welle oder durch Verbindung einer Vollschraube mit einer kurzen Welle. Beides verringert den Materialaufwand für die Herstellung. In einer bevorzugten Ausführung mit noch geringerem Materialeinsatz ist der Rotorkern als Ganzes oder die hohle Schraube vorgegossen oder letztere besteht aus einem entsprechend gebogenen Metallblechteil.
In einer weiteren Ausführungsform sind weitere Funktionselemente des Rotors in die Rotorhülle integriert. Dies können beispielsweise Wuchtgewichte auf einer oder beiden Seiten der Schraube sein, oder auch Spülgaslüfter, wie in DE 10 2010 055 798 A1 offenbart.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Antrieb der erfindungsgemäßen Schraubenpumpe durch einen Zwei-Wellen-Synchronantrieb, bestehend aus magnetisierten Zylindern auf jeder der beiden Rotorwellen, die durch ihre gegenseitige magnetische Wechselwirkung die Rotoren gegenläufig synchronisieren. Die beiden magnetisierten Zylinder sind von einer oder mehreren Wicklungen umgeben, die durch geeignete Bestromung wandernde Magnetfelder erzeugen, so dass sich die beiden magnetisierten Zylinder und damit die Rotorwellen gegenläufig synchron drehen.
Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1: einen Schraubenrotor für eine Schraubenvakuumpumpe im Schnitt und
Fig. 2: eine erfindungsgemäße Schraubenvakuumpumpe mit zwei Rotoren im Schnitt.

Fig. 1 zeigt einen Schraubenrotor 1 im Schnitt. Der Rotor 1 ist bestimmt für den Einsatz in einer Schraubenvakuumpumpe, vorzugsweise in einer solchen mit einem Saugvermögen unter 50 m³/h.
Der in Fig. 1 schematisch und im Schnitt dargestellte Rotor 1 besteht im Grundsatz aus einer Rotorwelle 2, einem auf der Rotorwelle 2 sitzenden Rotorkern 3 und einer auf dem Rotorkern 3 sitzenden Rotorhülle 4. Dargestellt ist die Rotorwelle 2 getrennt vom Rotorkern 3. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Rotorwelle 2 und der Rotorkern 3 einstückig miteinander ausgebildet sind.
Die Rotorhülle 4 umhüllt den Rotorkern 3 zumindest teilweise. In Fig. 1 umhüllt die Rotorhülle 4 den Rotorkern 3 auf der Rotorwelle 2 an allen Außenflächen, also an allen Flächen, die nicht an der Rotorwelle 2 anliegen.
Der Rotorkern 3 besteht aus einem Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m · K aufweist, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/m · K. Auch die Rotorwelle 2 besteht bevorzugt aus einem Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, vorzugweise auch hier eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m · K.
Alternativ oder zusätzlich kann die Rotorwelle 2 einen oder mehrere parallel zu ihrer Achse verlaufende Kanäle zur Zuführung von Gas in Richtung des Rotorkerns 3 aufweisen, so dass der Rotor 1 insgesamt von innen her gekühlt wird.
Der Rotorkern 3 kann in einzelnen Abschnitten des Rotors 1 bis in dessen Schraubengänge reichen wie das in Fig. 1 im Bereich 5 dargestellt ist. Hier hat also dann der Rotorkern 3 fast die Außenabmessungen des Rotors 1 insgesamt, mit lediglich einer dünnen, die Rotorhülle 4 bildenden Schicht. In diesem Bereich kann man für die Rotorhülle 4 Dicken zwischen 0,1 mm und 10 mm ins Auge fassen. Diese Konstruktion wird insbesondere dort realisiert werden, wo im Betrieb des Rotors 1 in einer Schraubenvakuumpumpe eine erhebliche Wärmeentwicklung auftritt, insbesondere also wo die Verdichtung auf Atmosphärendruck erfolgt, nahe bei dem Auslass eines Schöpfraums einer Schraubenvakuumpumpe.
In weniger beanspruchten Bereichen kann der Rotorkern 3 ganz fehlen, die Rotorhülle 4 also den kompletten Rotor 1 außerhalb der Rotorwelle 2 bilden. Das sieht man in Fig. 1 oben im Bereich 7.
Was die Rotorhülle 4 betrifft, so ist diese vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das eine im Vergleich mit der Wärmeleitfähigkeit des Rotorkerns 3 und der Rotorwelle 2 geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 5 W/m · K. Insbesondere empfiehlt sich hier, dass die Rotorhülle 4 aus Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht. Bei entsprechenden Einsätzen für chemische Anwendungen empfiehlt es sich, den Kunststoff chemisch beständig auszuwählen, beispielsweise PPS, PEEK oder Fluorkunststoff. Die Festigkeit des Kunststoffes der Rotorhülle 4 kann durch Füllstoffe wie Glasfasern oder Kohlefasern erhöht werden.
Vorzugsweise ist die Rotorhülle 4 in einem Spritzgussverfahren mit dem Rotorkern 3 verbunden, also auf diesen aufgebracht worden. Für den Rotorkern 3 oder Teile davon und/oder für die Rotorwelle 2 empfehlen sich als Werkstoffe Kupfer oder Aluminium oder Legierungen dieser Werkstoffe.
Fig. 1 zeigt die Rotorwelle 2 des Rotors 1 an beiden Enden vorstehend, also gegenüber dem Rotorkern 3 und der Rotorhülle 4 erheblich axial vorragend. Das ist ein an beiden Enden gelagerter Rotor 1.
Demgegenüber sind die Rotoren 1, 1', die in der erfindungsgemäßen Schraubenvakuumpumpe von Fig. 2 eingebaut dargestellt sind, für eine einseitige Lagerung an einem Ende ausgestaltet. Hier ragt die Rotorwelle 2 nur an ihrem der Lagerung dienenden Ende gegenüber dem Rotorkern 3 und der Rotorhülle 4 axial erheblich vor, nämlich in einen Lagerungsbereich hinein.
Bei den Rotoren 1, 1' in Fig. 2 erkennt man ferner, dass die Rotorwelle 2 und/oder der Rotorkern 3 im Bereich des von dem der Lagerung dienenden Ende abgewandten Ende des Rotors 1, 1' je nach dem Abstand von dem der Lagerung dienenden Ende einen verringerten Querschnitt aufweist, eine Ausnehmung aufweist oder völlig fehlt, wobei das gegenüber den vollständigen Außenabmessungen des Rotors 1, 1' fehlende Volumen durch die Rotorhülle 4 ausgefüllt ist.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Schraubenvakuumpumpe mit darin eingesetzten, miteinander in gegenseitigem berührungslosem Eingriff stehenden schraubenförmigen Rotoren 1, 1'. Die Schraubenvakuumpumpe aus Fig. 2 hat zunächst einen Schraubenpumpenstator 8, der praktisch das Gehäuse der Schraubenvakuumpumpe bildet. Im Schraubenpumpenstator 8 befindet sich ein zu den Rotoren 1, 1' passend geformter Schöpfraum 9 mit mindestens einem Einlass 10 und einem Auslass 11. Durch das berührungslose Abwälzen der beiden gegenläufigen Rotoren 1, 1' in dem geeignet geformten Schöpfraum 9 wird das gasförmige Medium vom Einlass 10 zum Auslass 11 gefördert. Die Rotoren 1, 1' sind so mit Rotorwelle 2, Rotorkern 3 und Rotorhülle 4 ausgestaltet wie das oben in Verbindung mit dem in Fig. 1 dargestellten Rotor 1 im Einzelnen erläutert worden ist.
Die Rotoren 1, 1' in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 unterscheiden sich vom Rotor 1 in Fig. 1 dadurch, dass die Rotoren 1, 1' hier fliegend, also nur auf einer Seite gelagert sind. Am gegenüberliegenden Ende der Rotoren 1, 1', also in Fig. 2 oben, befinden sich keine Lager.
In Fig. 2 befindet sich unterhalb des Schöpfraums 9 im Schraubenpumpenstator 8 ein Lagerungs- und Antriebsbereich, in dem die Rotorwellen 2 der Rotoren 1, 1' gelagert sind. Man erkennt, dass der Auslass 11 des Schöpfraums 9 an dem den gelagerten Enden der Rotoren 1, 1' zugewandten Ende des Schöpfraums 9 angeordnet ist.
Der Lagerungs- und Antriebsbereich liegt bevorzugt unter Umgebungsluftdruck. Er enthält Mittel zur Lagerung 12, 12'; 13, 13' der Rotoren 1, 1', sowie Mittel zur Synchronisation und/oder zum Antrieb der Rotoren 1, 1'. Im hier dargestellten Beispiel bestehen letztere aus geeignet magnetisierten Zylindern 14, 14', die durch ihre gegenseitige magnetische Wechselwirkung die Rotoren 1, 1' gegenläufig synchronisieren. Die beiden magnetisierten Zylinder 14, 14' sind von einer oder mehreren Wicklungen 15, 15' umgeben, die durch geeignete Bestromung wandernde Magnetfelder erzeugen, so dass sich die beiden magnetisierten Zylinder 14, 14' und damit die Rotorwellen 2 der Rotoren 1, 1' gegenläufig synchron drehen. Der Antrieb der Schraubenvakuumpumpe ist also hier als Zwei-Wellen-Synchronantrieb 14, 14'; 15, 15' ausgeführt. Derartige Konstruktionen sind für sich aus dem Stand der Technik bekannt.
Im Antriebsbereich sind auf der Welle Wärmeabgabemittel 16, 16' zur Abgabe von Wärme, die über die Rotorwellen 2 hierher geleitet wurde, an die umgebende Luft dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um mitlaufende Lüfterräder oder Scheiben handeln. Die erhitzte Luft kann durch einen von außen angelegten Kühlluftstrom abgeführt werden (nicht dargestellt). Der vom mitlaufenden Wärmeabgabemittel 16, 16' erzeugte Luftstrom kann auch zur Kühlung des Antriebs 14, 14'; 15, 15' dienen.
Zudem sind in Fig. 2 weitere Funktionselemente 17, 17' angedeutet, die beispielsweise der Wuchtung dienen können. Oder es handelt sich um Spülgaslüfter, um Spülgas aus dem Lagerungsbereich anzusaugen und so die Lager zu spülen.
In dem in Fig. 2 oben dargestellten Endbereich 18 hat die Rotorhülle 4 des jeweiligen Rotors 1, 1' axial hineinreichende Ausnehmungen. Unterhalb der Ausnehmungen erstreckt sich die Rotorhülle 4 beider Rotoren 1, 1' jeweils quer zur Achse des Rotors 1, 1' über den kompletten Querschnitt des Rotors 1, 1', weil die jeweilige Rotorwelle 2 kurz unterhalb dieses Bereiches bereits endet.

Claims

Schraubenvakuumpumpe, vorzugsweise mit einem Saugvermögen unter 50 m3/h,
mit einem Schraubenpumpenstator (8) mit einem Schöpfraum (9) mit mindestens einem Einlass (10) und einem Auslass (11) und
mit zwei in gegenseitigem berührungslosem Eingriff stehenden schraubenförmigen Rotoren (1,1'), die in dem zu den Rotoren (1, 1') passend geformten Schöpfraum (9) des Schraubenpumpenstators (8) rotieren und dadurch ein gasförmiges Medium vom Einlass (10) zum Auslass (11) fördern,
mit einem vom Schöpfraum (9) getrennten Lagerungs- und Antriebsbereich (8') im Schraubenpumpenstator (8),
wobei jeder Rotor (1, 1') an lediglich einem Ende der jeweiligen Rotorwelle (2) im Lagerungs- und Antriebsbereich (8') einseitig gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Rotor (1,1') aus einer Rotorwelle (2), einem auf der Rotorwelle (2) sitzenden Rotorkern (3) und einer auf dem Rotorkern (3) sitzenden, den Rotorkern (3) zumindest teilweise umhüllenden Rotorhülle (4) besteht,
dass der Rotorkern (3) jedes Rotors (1, 1') aus einem Material besteht, das eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m · K aufweist,
dass die Rotorhülle (4) jedes Rotors (1, 1') aus einem Material besteht, das eine im Vergleich mit der Wärmeleitfähigkeit des Rotorkerns (3) und der Rotorwelle (2) geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist,
und dass auf der jeweiligen Rotorwelle (2) zwischen dem Rotorkern (3) und der Rotorhülle (4) und ihrem der Lagerung dienenden Ende im Lagerungs- und Antriebsbereich (8') ein Wärmeabgabemittel (16, 16') zur Wärmeabgabe an die Umgebungsatmosphäre angeordnet ist.
Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (11) des Schöpfraums (9) an dem den gelagerten Enden der Rotoren (1, 1') zugewandten Ende des Schöpfraums (9) angeordnet ist.
Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der Rotoren (1, 1') im Lagerungs- und Antriebsbereich (8') ein Zwei-Wellen-Synchronantrieb (14, 14'; 15, 15') vorgesehen ist.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Rotorwelle (2) aus einem Material besteht, das eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m · K, aufweist.
Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (2) und der Rotorkern (3) einstückig ausgebildet sind.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Rotorkern (3) zumindest abschnittsweise bis in die Schraubengänge des jeweiligen Rotors (1, 1') reicht, also hier gegenüber der Außenform des schraubenförmigen Rotors (1, 1') lediglich um die Dicke der Rotorhülle (4) in diesem Bereich verringerte Abmessungen aufweist.
Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Rotorkern (3) nur in demjenigen Bereich des Rotors (1, 1') bis in dessen Schraubengänge reicht, der dem Auslass (11) des Schöpfraums (9) zugewandt ist.
Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Rotorhülle (4) aus Kunststoff besteht, wobei, vorzugsweise, die Rotorhülle (4) in einem Spritzgussverfahren auf dem Rotorkern (3) aufgebracht worden ist.
Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Rotorkern (3) oder Teile davon und/oder die jeweilige Rotorwelle (2) aus Kupfer oder Aluminium oder Legierungen dieser Werkstoffe besteht.