EP2615307B1 - Screw vacuum pump - Google Patents

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EP2615307B1
EP2615307B1 EP12000151.6A EP12000151A EP2615307B1 EP 2615307 B1 EP2615307 B1 EP 2615307B1 EP 12000151 A EP12000151 A EP 12000151A EP 2615307 B1 EP2615307 B1 EP 2615307B1
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EP
European Patent Office
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rotor
screw
shaft
vacuum pump
rotors
Prior art date
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Active
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EP12000151.6A
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German (de)
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EP2615307A1 (en
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Jürgen Dr. Dirscherl
Frank Dr. Gitmans
Gerhard Rüster
Markus Prasse
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Vacuubrand GmbH and Co KG
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Vacuubrand GmbH and Co KG
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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C2/00Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
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    • F04C2/14Rotary-piston machines or pumps 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
    • F04C2/16Rotary-piston machines or pumps 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
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    • F04C29/0042Driving elements, brakes, couplings, transmissions specially adapted for pumps
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    • F04C29/04Heating; Cooling; Heat insulation

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schraubenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The invention relates to a screw vacuum pump having the features of the preamble of claim 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.Numerous processes in research and industry require a vacuum in the range of 10 2 Pa to 10 -2 Pa (fine vacuum range), which often also condensing and / or aggressive vapors or gases must be promoted. For generating a negative pressure in this area, liquid-sealed or lubricated vacuum pumps such as oil-sealed rotary vane pumps are often used. The use of such pumps, in which the pumped medium comes into contact with oil or other liquids, has numerous disadvantages. Thus, the pumped media can contaminate or react with the lubricant, which reduces the lubricity and sealing effect. Backflow of gaseous components or decomposition products of the lubricant in the process plant can interfere with the processes there sensitive.
  • 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.For this reason, the development of so-called "dry" vacuum pumps, ie pumps in which the pumped media does not come into contact with a liquid, has long been the subject of much work.
  • 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.At higher pressures, ie in the range 10 5 Pa to 10 2 Pa, membrane vacuum pumps are advantageous because the pumping chamber is hermetically separated from the drive region by the gas-tight clamped membrane. Due to the limited compression ratio and the mostly operated only by the gas flow valves, however, pressures below 50 Pa can be achieved only with difficulty.
  • Neben Feinvakuumpumpen wie Kolbenpumpen, Scrollpumpen, Klauenpumpen und Rootspumpen sind auch Schraubenvakuumpumpen bekannt.In addition to fine vacuum pumps such as piston pumps, scroll pumps, claw pumps and Roots pumps also screw vacuum pumps are known.
  • 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.In screw vacuum pumps (short: screw pumps), two helical rotors mesh with each other without contact in a suitably shaped screw pump stator, so that by their opposite rotation gas is conveyed from an inlet to an outlet. All versions here and below refer to non-contact, oil-free screw pumps.
  • 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.An advantage of the screw pumps is the high possible compression, as screw pumps can be built intrinsically multi-stage, each screw acts as a stage. Screw pumps thus offer the possibility of achieving a good ultimate vacuum in the range of <1 Pa with only one pair of rotors.
  • 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.With screw pumps a so-called flying bearing of this pair of rotors is possible. In a flying storage, storage takes place only from one side of the rotor pair. There is no storage on the other side of the rotor pair. Thus, the screw pump stator can be performed without a storage unit. This allows easy disassembly of the screw pump stator, e.g. for maintenance and cleaning purposes.
  • 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.A general problem with screw pumps is the high heat release, especially in the area of the atmosphere-side compression. At low suction pressures, only a small amount of gas is conveyed from the suction side to the atmosphere side. So there is only a small gas exchange within the pump. In addition, there is a vacuum until the last atmosphere-side screw thread in the pump chambers, which are formed by the intermeshing screw flights.
  • 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.When opening the pump chamber at the last atmosphere-side screw thread in the course of the rotation of the rotor gas flows from the outlet back into this pump chamber. The gas that has flowed in is pushed out again together with the gas conveyed from the suction connection in the course of the rotation of the rotors. This pulsation of the gas at the outlet causes a high drive power requirement and releases large amounts of heat in a relatively small volume.
  • 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.The backflow of the gas can be reduced by closely fitting end plates with openings at suitable positions on the screw rotor. However, since these end plates hinder the gas discharge at the same time, this arrangement can hardly be improved.
  • 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.Another approach to reducing backflow are check valves on such end plates. However, these would have to open and close with the rotational frequency of the rotors. However, the frequency of typ. 6000 - 25000 min -1 is usually too high, ie check valves of sufficient size are too slow to react.
  • 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.In order to reduce the temperature and power problem, screw rotors are commonly used with decreasing to the outlet pump chamber volume. This can be achieved for example by reduced helical pitch or reduced helical radius to the outlet side. This results in an internal compression of typically 2-10. In this way, the power requirement of the pump as well as the heat release at the atmosphere end of the screw relative to the pump's pumping speed can be reduced by almost this compression factor.
  • 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.A disadvantage of this method is that the production of the rotors is significantly more difficult due to the constant or even erratic screw profile change. Another disadvantage is that the internal compression at high suction pressures can lead to internal overpressures. This can overload the drive motor and cause damage to the pump. Often therefore complicated pressure relief valves in the pump chamber stator in the field of internal compression are required. When pumping incompressible fluids - be they aspirated or caused by condensation inside - can result in hydrostatic blocking, with the result that the pump stops suddenly due to the overload. This can result in expensive consequential damage to the unit and drive.
  • 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).Another approach is to use two separate screw pumps with different pumping speeds in series, each of which does not have internal compression (see EP 0 811 766 B1 ), where between the pumps a pressure relief valve can be switched (see WO 2007/088989 A1 ). However, these approaches also cause great structural complexity (two pumping units).
  • 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.In order to control the thermals, liquid cooling of the pump housing is often used in known larger screw pumps. For larger pumps and liquid internal cooling of the rotors are used, but they are expensive.
  • 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.It is not uncommon for gas to be admitted from the outside into the pump chamber even in the region of the last atmosphere-side screw flights. The purge gas cools this area and transports heated gas away from the last screw threads. A disadvantage is the high cost and the inevitable deterioration of the final vacuum of the pump.
  • 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.For compact screw pumps with typical rotor spacings of 20 - 100 mm and pumping speeds <50m 3 / h, liquid internal cooling of the rotors can not be used for space and cost reasons. A liquid cooling of the housing would be disadvantageous in such devices, since they are to be used flexibly, for example, in research laboratories, while the usual, much larger pumps are mostly already installed for weight reasons stationary in industrial plants. Compact screw vacuum pumps thus require novel ways of coping with the difficult thermal situation at the atmosphere-side end of the rotors.
  • 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.Another aspect for compact screw vacuum pumps is the selection of materials for the rotors. Usually, such screw rotors, which are often made integral with the rotor shafts, are made of cast iron or steel alloys because they have high rigidity (modulus of elasticity) and good machinability. The thermal conductivity of this material class is only mediocre, sufficient in conjunction with external water cooling and possibly internal oil cooling iA but off. Even with such materials temperatures of the rotors of> 150 ° C at the surface are still acceptable.
  • 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.A disadvantage of conventional steels and cast iron alloys is the limited chemical resistance. Aggressive chemicals have to be removed from such pumps with cold traps or similar. be kept away. In addition, it is often worked with purge gas, which is expensive. Nevertheless, such pumps often show only short service lives when pumping aggressive media.
  • 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.Chemically highly resistant steel alloys such as Hastelloy are usually difficult to machine, which makes the production of the often complicated shaped and tightly tolerated screw profiles consuming and expensive.
  • 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 ).Another disadvantage of steel or cast rotors is the high weight, which has a negative effect on the required drive power during acceleration and the imbalance of the rotors. Approaches to avoid this problem by means of an aluminum rotor on a steel shaft are known ( 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 ).For applications with chemically aggressive substances, rotors made of chemically resistant plastics would be advantageous. Due to the limited stiffness (low modulus of elasticity) of plastics, a shaft of stiffer material is generally required inside the rotor. Such an arrangement, consisting of a rotor made of plastic with a steel rotor shaft inside, is known ( 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.A disadvantage of the aforementioned arrangement is that almost all practically usable plastics have a low thermal conductivity. Even with a high proportion of filler, such as carbon fiber can hardly achieve a heat conduction greater than 1 W / m · K. For use in the screw pump, this means that with high heat release at the atmosphere-side end of the rotor, the heat is not sufficiently removed and the plastic material there locally heated quickly to high temperatures. This can be too high thermal Extend or even cause thermal damage (decomposition, melting) of the material. The high thermal expansion is disadvantageous because then the fast (typ.> 6000 min -1 ) with a close distance (typ. <0.1 mm) can touch each other running rotors, which can lead to significant consequential damage.
  • 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.The previously described problems with screw rotors for a screw vacuum pump have already been mentioned in the prior art ( GB 2 243 189 A ). Here are for use in conjunction with chemically aggressive substances in a screw vacuum pump two mutually engaging rotors are provided which are made of cast iron, but with a thin coating of protective materials, in particular made of plastic, are provided. The problem of high heat release and the removal of heat is not addressed here. In fact, because of the design of the rotor cores of the cast iron rotors, the thermal conductivity is not high enough to actually protect the plastic material from destructive heating. Since the rotor shaft is here separated from the rotor core, so the rotor core is keyed onto the rotor shaft, here also structurally for the heat dissipation by no means optimal solution is disclosed.
  • 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.The WO 03/042542 A1 , which forms the starting point for the teaching of the present invention, discloses a liquid cooled screw vacuum pump. In addition, a Lüftrad is provided, which is arranged outside the drive and storage area and beyond the storage of the rotor shaft. This Lüftrad serves only to act on a heat exchanger of the liquid cooling.
  • 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.From the WO 88/01695 A1 goes out a rotor for a screw vacuum pump. The rotor has a core of a first material and an intermediate layer of a second material applied to the core. The surface of the rotor is coated with a plastic layer.
  • 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.Based on the last-mentioned prior art, the teaching is based on the problem of specifying a compact screw vacuum pump, in which use in the laboratory under chemically aggressive conditions in any case constructively possible and nevertheless the previously described thermal problems are solved by an effective heat release from the rotor shaft to the surrounding air is made possible.
  • 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.The above-mentioned problem is solved in a screw vacuum pump with the features of the preamble of claim 1 by the features of the characterizing part of claim 1.
  • 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.
    Preferred embodiments and further developments of the pump according to the invention are the subject matter of claims 2 to 9.
    In summary, the following advantages of the rotors for compact screw pumps for use in research and industry, in particular with chemically aggressive substances:
    • An effective cooling of the rotor is possible.
    • The rotor has a low thermal expansion.
    • The rotor shaft has a sufficiently high rigidity (modulus of elasticity).
    • The surface of the rotor can have a high chemical resistance when using a suitable material for the rotor shell and be touch tolerant, so tend to prickers when touching the counter-screw rotor.
    • To reduce potential imbalances, the rotor can be quite light.
    • The production of the often very demanding and tightly tolerated screw profile is facilitated by using suitable materials for the rotor shell by a good machinability of the material of the rotor.
  • 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.The starting point of the invention is the realization that the cooling of the screw rotor in compact screw pumps mainly has to be carried out by heat removal via the rotor and the rotor shaft from the pump chamber. For this purpose, it is provided to construct the rotor with a rotor core made of a highly heat-conductive material, which is surrounded by a rotor shell, preferably made of a chemically resistant plastic. As highly heat conductive Material materials with thermal conductivity of more than 100 W / m · K, preferably more than 200 W / m · K, used, for example, aluminum or copper and some alloys. Plastics and iron alloys (steel, cast iron) do not reach these values and do not have sufficient heat dissipation for effective cooling of the rotor inwards or over the rotor shaft.
  • 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 a preferred embodiment, the rotor shaft is made of a highly heat-conductive material, so that the heat from the rotor via the rotor shaft by solid-state heat conduction is transported out of the pump chamber. It is particularly useful in this case if the rotor shaft with the rotor core is made in one piece, since then the solid state heat conduction takes place inside the rotor core without disturbing interfaces to the rotor shaft to the outside.
  • 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.In an alternative embodiment, a hollow shaft is used for the rotor shaft instead of a solid, highly heat-conductive material, through which a cooling gas such as e.g. Air is conveyed, which is preferably sucked by the rotation of the shaft itself, for example by a kind of blower on a free shaft end. The cooling gas is conducted through the rotor shaft into the area of the highest heat release and cools the highly heat-conductive rotor core from the inside. The heated gas is discharged, for example, into the outlet of the pump, where it can serve as purge gas, or guided back through the rotor shaft. Also in this embodiment, the rotor thus consists of a highly thermally conductive rotor core, which is surrounded by a rotor shell, wherein the rotor core is in contact with the hollow rotor shaft or directly with the cooling gas. The material of the hollow rotor shaft can also be highly heat-conductive.
  • 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.The thickness of the cladding material, ie the rotor shell, results on the one hand from the need for the layer to be diffusion-tight and mechanically stable and, on the other hand, from the fact that the heat conduction through the layer to the core material is still sufficiently high to overheat the surface avoid. According to the invention, this means that the highly heat-conductive core material in a preferred embodiment extends into the screw threads, and not just as is substantially cylindrical part. This means that the highly heat-conductive material has, at least in this section, the screw profile (reduced by the covering wall thickness), the covering material preferably having a thickness of 0.1-10 mm in these regions.
  • 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.Although the rotor shell often has only a comparatively low specific thermal conductivity of mostly <5 W / m · K (typically for plastics, for example), due to the small thickness of the rotor shell sufficient heat dissipation is achieved by this layer to the rotor core. From the application shows that the highly thermally conductive rotor core preferably in the region of the highest heat release, ie at the atmosphere-side end of the rotor, in which a high heat dissipation through the rotor is required, extends outward into the screw threads.
  • 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.In one embodiment, however, the rotor has one or more sections in which the highly heat-conductive rotor core does not extend or not completely outwardly into the screw threads. For explanation, possible materials for the rotor core and the rotor shell are considered.
  • 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.The wrapping of a rotor core can be done in several ways. If a very thin coating (<0.1 mm) is applied, it may be possible to dispense with mechanical reworking of the layer. Often, however, such layers are not completely diffusion-tight, so that the layer can be infiltrated by the pumped media and then peeled off under vacuum. For thicker coatings, the screw profile form must be reworked consuming. Thicker coatings are usually melted after application (e.g., by electrostatic powder coating). This often leads to the rounding of the edges, resulting in defects after finishing on outer edges.
  • 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.To be distinguished from these coating methods is the encapsulation of a rotor core with a thermoplastic material. In this method, the layer thickness can be selected almost arbitrarily (ie diffusion-proof) and the edges are formed exactly. At the same time, this method allows to fill even larger volumes of plastic.
  • 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.Comparing the mechanical and thermal characteristics of different materials, it follows that of the materials with very high thermal conductivity of> 100 W / m · K copper and some copper alloys appear to be very suitable. This is due to the high thermal conductivity, the still acceptable thermal expansion and the still acceptable modulus of elasticity. Aluminum and its alloys show significantly worse values for all three parameters but are lighter. Due to the significantly lower modulus of elasticity, aluminum is poorly suited as a rotor shaft material, but can be used as a rotor core material, the rotor shaft would then consist of a different material such as copper or a hollow shaft with internal gas cooling. To protect corrosion-sensitive materials such as copper, these can be coated, for example with Ni, Cr, Ag or 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.Other high thermal conductivity metals such as gold, silver, alkali and alkaline earth metals, zinc, molybdenum or tungsten and their alloys are eliminated because of excessive material costs, poor machinability, reactivity or low modulus of elasticity. Novel materials such as CFRP often exhibit anisotropic and difficult-to-control properties, especially in the formation of solids. In addition, the production is often expensive and expensive. Special ceramics such as AIN have interesting material properties, but are difficult to work. Nevertheless, in future these will be interesting materials for the rotor core or parts of the rotor core of rotors according to the invention.
  • 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.A disadvantage of copper is the high specific weight and the comparatively high material costs. Therefore, the second aspect of the invention, that is, that the highly thermally conductive core material only where thermally necessary, ie in particular in the region of the atmosphere side compression, outwardly to close under the plastic surface, particularly advantageous. In other, less thermally stressed areas of the rotor can be dispensed with the formation of the core material into the screw threads into it and the rotor can there from a relatively small cylindrical rotor core surrounded by plastic as a rotor shell.
  • 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.As sheathing material preferably chemically highly resistant plastics such as PPS, PEEK or fluoroplastics are used, which are preferably reinforced with fillers such as carbon or glass fiber. For example, PEEK with carbon fiber reinforcement only about 16% of the density of copper. Thus, with the arrangement according to the invention, wherein the highly thermally conductive core material only where thermally necessary, ie in particular in the region of the atmosphere side compression, outwardly to close below the plastic surface, significantly reduce the weight of the screw rotor and thus potential imbalances. Profile-related imbalances can be largely compensated already on the rotor core, so that only small corrections to the rotor shell are required on the completed rotor, which can be dispensed with large balancing rings or holes.
  • 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.Other advantages of materials such as PPS, PEEK or fluoroplastics are the good machinability and the contact tolerance, so little annoying tendency. The processing of such plastics is much easier, faster and therefore cheaper than, for example, highly corrosion-resistant stainless steels.
  • 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.This arrangement thus results in a rotor with chemically highly resistant and diffusion-tight surface at the same time very high heat conduction of the overall arrangement - at least in the field of large heat release during operation - at surprisingly low production costs. The latter arises because materials such as copper or aluminum are used only where necessary, material-saving manufacturing processes such as injection molding are used, and the materials are easily editable.
  • 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.For the reliable connection of the rotor shell to the rotor core, a positive connection is necessary if possible with undercuts to the toothing, if sufficient material adhesion can not be achieved. This can be done in the rotor core For example, grooves, holes or grooves are introduced. Even a rough surface of the rotor core, for example, by sandblasting is helpful.
  • 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.The advantages of the rotor are particularly clear in the arrangement of the screw pump with overhung rotors. In the case of overhung rotors, the storage and drive area is preferably under ambient air pressure and not in contact with the pumped media. So that this storage and drive area not with a shaft seal o.ä. must be sealed to the suction chamber, the pressure side of the pump unit is usually arranged on the drive side.
  • 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.This area is thermally loaded twice, on the one hand by the engine, on the other hand by the heat of compression at the atmosphere-side screw rotor end. When using highly efficient synchronous motors or a gearbox and with efficient cooling of the drive area, for example by means of a fan, the drive range is quite simply durable to a low operating temperature.
  • 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.The waste heat from the compression can be a multiple of the engine waste heat. The rotor structure now allows a very effective dissipation of the heat of compression from the pump chamber in the direction of the well-cooled drive range using the highly heat-conductive rotor shaft of a solid material.
  • 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.According to the invention sits in the drive region on the rotor shaft, a means for delivering this heat to the surrounding air. This may be, for example, a revolving fan or discs, for example, copper or aluminum. These very effectively release the heat from the rotor shaft to the air due to the rapid rotation. The heated air can be removed by an externally applied cooling air flow. A generated by a follower fan air flow can also be used to cool the engine.
  • 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.Especially in the case of flying bearings of the rotors, it is important to have the smallest possible masses at the end of the rotors remote from the bearings. Great moved Masses far away from the bearing can lead to large deflections even with little imbalance and thus rotor collisions.
  • 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.Preferably, the highly thermally conductive rotor core (often with high density) outside the thermally highly stressed part of the rotor is not pulled close to the plastic surface, but rather is reduced as much as possible. This significantly reduces the moving masses, especially at the end of the rotor remote from the bearing.
  • 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.Depending on the manufacturing process, a reception of the rotor in the processing machine is also required on the side facing away from the bearing for dimensionally stable machining of the rotors (in the pump). If the rotor shell is unsuitable for this, the highly thermally conductive rotor core can also be guided on the side facing away from the bearing to the outside. If necessary, this area must be protected later from corrosion attack, for example, by covering with a plug, for example made of PTFE. Alternatively, the frontal recording can also be done with the help of a highly corrosion-resistant metal such as Hastelloy, which is firmly connected to the core material.
  • 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.Alternatively, for flying bearing, the highly thermally conductive rotor core and / or the rotor shaft is not present over the entire length of the full-diameter helical rotor, or hollow, or completely absent. The part of the rotor facing away from the storage can then consist of solid wrapping material or have a recess. All these characteristics lead to a significant reduction of the moving masses in the bearing remote area of the rotor.
  • 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.The production of the highly thermally conductive rotor core, for example, made of copper or aluminum or an alloy can be made from the solid, or preferably by fastening a hollow screw on a shaft or by connecting a solid screw with a short shaft. Both reduce the cost of materials for the production. In a preferred embodiment with even less Material insert is the rotor core as a whole or the hollow screw pre-cast or the latter consists of a correspondingly bent sheet metal part.
  • 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 a further embodiment, further functional elements of the rotor are integrated into the rotor shell. This can be, for example, balancing weights on one or both sides of the screw, or also Spülgaslüfter, as in DE 10 2010 055 798 A1 disclosed.
  • 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.In a preferred embodiment, the drive of the screw pump according to the invention by a two-shaft synchronous drive, consisting of magnetized cylinders on each of the two rotor shafts, which synchronize the rotors in opposite directions by their mutual magnetic interaction. The two magnetized cylinders are surrounded by one or more windings, which generate suitable magnetic field by moving current, so that the two magnetized cylinders and thus the rotor shafts rotate synchronously in opposite directions.
  • 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.
    In the following, the invention will now be explained in more detail with reference to a drawing showing merely exemplary embodiments. In the drawing shows
    Fig. 1
    a screw rotor for a screw vacuum pump in section and
    Fig. 2
    a screw vacuum pump according to the invention with two rotors in section.
  • 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. Fig. 1 shows a screw rotor 1 in section. The rotor 1 is intended for use in a screw vacuum pump, preferably in one with a pumping speed of less than 50 m 3 / 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.The in Fig. 1 schematically and in section shown rotor 1 consists in principle of a rotor shaft 2, a seated on the rotor shaft 2 rotor core 3 and a seated on the rotor core 3 rotor shell 4. Shown is the rotor shaft 2 is separated From the rotor core 3. Basically, it is also possible that the rotor shaft 2 and the rotor core 3 are integrally formed with each other.
  • 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.The rotor shell 4 surrounds the rotor core 3 at least partially. In Fig. 1 The rotor shell 4 surrounds the rotor core 3 on the rotor shaft 2 on all outer surfaces, ie on all surfaces which do not rest against the rotor shaft 2.
  • 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.The rotor core 3 is made of a material having a high heat conductivity of more than 100 W / m · K, preferably a thermal conductivity of more than 200 W / m · K. Also, the rotor shaft 2 is preferably made of a material having a high thermal conductivity also preferably has a thermal conductivity of more than 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.Alternatively or additionally, the rotor shaft 2 may have one or more channels running parallel to its axis for supplying gas in the direction of the rotor core 3, so that the rotor 1 is cooled overall from the inside.
  • 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.
    The rotor core 3 may extend into individual sections of the rotor 1 in its screw threads as in Fig. 1 is shown in area 5. Here, then, the rotor core 3 has almost the outer dimensions of the rotor 1 in total, with only a thin, the rotor shell 4 forming layer. In this area, one can consider for the rotor shell 4 thicknesses between 0.1 mm and 10 mm in the eye. This construction will be realized in particular where significant heat development occurs during operation of the rotor 1 in a screw vacuum pump, in particular where the compression takes place to atmospheric pressure, close to the outlet of a pump chamber of a screw vacuum pump.
    In less stressed areas of the rotor core 3 may be completely absent, the rotor shell 4 thus form the complete rotor 1 outside the rotor shaft 2. You can see that in Fig. 1 up in the area 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.As for the rotor shell 4, it is preferably made of a material having a low thermal conductivity compared to the thermal conductivity of the rotor core 3 and the rotor shaft 2, preferably one Thermal conductivity of less than 5 W / m · K. In particular, it is recommended here that the rotor shell 4 is made of plastic, in particular of a thermoplastic material. In the case of appropriate applications for chemical applications, it is advisable to select the plastic chemically resistant, for example PPS, PEEK or fluoroplastic. The strength of the plastic of the rotor shell 4 can be increased by fillers such as glass fibers or carbon fibers.
  • 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.Preferably, the rotor shell 4 is connected in an injection molding process with the rotor core 3, that has been applied to this. For the rotor core 3 or parts thereof and / or for the rotor shaft 2, the materials recommended are copper or aluminum or alloys of these materials.
  • 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. Fig. 1 shows the rotor shaft 2 of the rotor 1 projecting at both ends, that is, substantially axially projecting relative to the rotor core 3 and the rotor shell 4. This is a rotor 1 mounted at both ends.
  • 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.In contrast, the rotors 1, 1 ', in the screw vacuum pump according to the invention of Fig. 2 are shown built for a one-sided storage at one end. Here, the rotor shaft 2 protrudes axially only at its end serving for storage relative to the rotor core 3 and the rotor shell 4 axially, namely into a storage area.
  • 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.In the rotors 1, 1 'in Fig. 2 recognizes further that the rotor shaft 2 and / or the rotor core 3 in the region of the serving end of the bearing end of the rotor 1, 1 'depending on the distance from the end of the storage serving has a reduced cross section, or has a recess is completely absent, with respect to the complete outer dimensions of the rotor 1, 1 'missing volume is filled by the rotor shell 4.
  • 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. Fig. 2 shows a schematic sectional view of a screw vacuum pump according to the invention with it inserted, standing in mutual non-contact engagement helical rotors 1, 1 '. The screw vacuum pump off Fig. 2 initially has a screw pump stator 8, which practically forms the housing of the screw vacuum pump. In the screw pump stator 8 is a to the rotors 1, 1 'suitably shaped pumping chamber 9 with at least one inlet 10 and an outlet 11. By the non-contact rolling of the two counter-rotating rotors 1, 1' in the suitably shaped pump chamber 9, the gaseous medium from Inlet 10 promoted to the outlet 11. The rotors 1, 1 'are configured with rotor shaft 2, rotor core 3 and rotor shell 4, as described above in connection with FIG Fig. 1 illustrated rotor 1 has been explained in detail.
  • 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.The rotors 1, 1 'in the embodiment of Fig. 2 differ from the rotor 1 in Fig. 1 in that the rotors 1, 1 'flying here, so are stored only on one side. At the opposite end of the rotors 1, 1 ', ie in Fig. 2 above, there are no bearings.
  • 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.In Fig. 2 is located below the pump chamber 9 in Schraubenpumpenstator 8 a storage and drive range in which the rotor shafts 2 of the rotors 1, 1 'are mounted. It can be seen that the outlet 11 of the pumping chamber 9 is arranged at the end of the pumping chamber 9 facing the mounted ends of the rotors 1, 1 '.
  • 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.The storage and drive range is preferably under ambient air pressure. It contains means for storage 12, 12 '; 13, 13 'of the rotors 1, 1', as well as means for synchronization and / or for driving the rotors 1, 1 '. In the example shown here, the latter consist of suitably magnetized cylinders 14, 14 ', which synchronize the rotors 1, 1' in opposite directions due to their mutual magnetic interaction. The two magnetized cylinders 14, 14 'are surrounded by one or more windings 15, 15' which generate magnetic fields traveling through suitable energization, so that the two magnetized cylinders 14, 14 'and thus the rotor shafts 2 of the rotors 1, 1' rotate synchronously in opposite directions. The drive of the screw vacuum pump is thus here as a two-shaft synchronous drive 14, 14 '; 15, 15 'executed. Such constructions are known per se from the prior art.
  • 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.In the drive region, heat emission means 16, 16 'for emitting heat, which has been conducted here via the rotor shafts 2, to the surrounding air are shown on the shaft. These may be, for example, revolving fan wheels or discs. The heated air can be removed by an externally applied cooling air flow (not shown). The air flow generated by the accompanying heat-dissipating means 16, 16 'can also be used to cool the drive 14, 14'; 15, 15 'serve.
  • 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 addition, in Fig. 2 further functional elements 17, 17 'indicated, which can serve for example the balancing. Or it is purge gas to aspirate purge gas from the storage area and thus to flush the bearings.
  • 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.In the in Fig. 2 End region 18 shown above, the rotor shell 4 of the respective rotor 1, 1 'has axially extending recesses. Below the recesses, the rotor shell 4 of both rotors 1, 1 'each extend transversely to the axis of the rotor 1, 1' over the complete cross section of the rotor 1, 1 ', because the respective rotor shaft 2 already ends shortly below this range.

Claims (9)

  1. Screw vacuum pump, preferably with a suction capacity below 50 m3/h,
    having a screw pump stator (8) which has a suction chamber (9) with at least one inlet (10) and one outlet (11), and having two screw-like rotors (1, 1') which are in contactless engagement with one another and which rotate in the suction chamber (9), shaped in a manner matching the rotors (1, 1'), of the screw pump stator (8) and in this way convey a gaseous medium from the inlet (10) to the outlet (11),
    having a mounting and drive region (8'), separated from the suction chamber (9), in the screw pump stator (8), wherein each rotor (1, 1') is mounted at one side at merely one end of the respective rotor shaft (2) in the mounting and drive region (8'),
    characterized
    in that each rotor (1, 1') consists of a rotor shaft (2), a rotor core (3) which is seated on the rotor shaft (2), and a rotor sheath (4) which is seated on the rotor core (3) and which at least partially envelops the rotor core (3),
    in that the rotor core (3) of each rotor (1, 1') consists of a material which has a heat conductivity of more than 100 W/m·K,
    in that the rotor sheath (4) of each rotor (1, 1') consists of a material which has a low heat conductivity in comparison with the heat conductivity of the rotor core (3) and of the rotor shaft (2),
    and in that a heat dissipation means (16, 16') for dissipating heat to the ambient atmosphere is arranged on the respective rotor shaft (2) between the rotor core (3) and the rotor sheath (4) and the end, serving for the mounting, of said shaft in the mounting and drive region (8').
  2. Screw vacuum pump according to Claim 1, characterized in that the outlet (11) of the suction chamber (9) is arranged at that end of the suction chamber (9) which faces towards the mounted ends of the rotors (1, 1').
  3. Screw vacuum pump according to Claim 1 or 2, characterized in that, for driving the rotors (1, 1'), a two-shaft synchronous drive (14, 14'; 15, 15') is provided in the mounting and drive region (8').
  4. Screw vacuum pump according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the respective rotor shaft (2) consists of a material which has a heat conductivity of more than 100 W/m·K.
  5. Screw vacuum pump according to Claim 4, characterized in that the rotor shaft (2) and the rotor core (3) are formed in one piece.
  6. Screw vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that the respective rotor core (3) at least sectionally extends to the screw threads of the respective rotor (1, 1'), that is to say has dimensions here which, in relation to the outer shape of the screw-like rotor (1, 1'), are reduced merely by the thickness of the rotor sheath (4) in this region.
  7. Screw vacuum pump according to Claim 6, characterized in that only in that region of the rotor (1, 1') which faces the outlet (11) of the suction chamber (9) does the respective rotor core (3) extend to the screw threads of said rotor.
  8. Screw vacuum pump according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the respective rotor sheath (4) consists of plastic, wherein preferably the rotor sheath (4) has been applied to the rotor core (3) in an injection-moulding process.
  9. Screw vacuum pump according to Claim 8, characterized in that the respective rotor core (3) or parts thereof and/or the respective rotor shaft (2) consist(s) of copper or aluminium or alloys of said materials.
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