EP3499039B1

EP3499039B1 - Schraubenvakuumpumpe

Info

Publication number: EP3499039B1
Application number: EP17207576.4A
Authority: EP
Inventors: Peter Huber
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: EP3499039A1; JP7221672B2; JP2019113064A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubenvakuumpumpe mit einem Gehäuse, zwei in dem Gehäuse angeordneten und miteinander in Eingriff stehenden Schraubenrotoren, die zum Fördern eines Prozessgases in Zusammenwirkung mit dem Gehäuse wiederholt abgeschlossene Fördervolumina des Prozessgases bilden und in Richtung eines Auslasses fördern.
Die vakuumtechnische Leistung von Schraubenvakuumpumpen ist in hohem Maße abhängig von der Größe und Zahl von Spalten im pumpaktiven Bereich, insbesondere zwischen miteinander in Eingriff befindlichen Schraubenrotoren und zwischen einem jeweiligen Schraubenrotor und einer umschließenden Gehäusewand. Diese Spalte verändern sich im Betrieb bzw. im Vergleich zum Stillstand durch wärmeabhängige Formänderungen, insbesondere Ausdehnungen, der beteiligten Komponenten. Durch Kontrolle von Wärmeentwicklung und Begrenzung bzw. Verminderung von hohen Temperaturen in der Schraubenpumpe kann der Einfluss der Temperatur auf Spalte und damit auf die vakuumtechnische Leistung der Schraubenpumpe verbessert werden.
Darüber hinaus entspricht Wärme auch, sofern sie nicht mancherorts erwünscht ist, grundsätzlich Verlusten, sodass eine Reduzierung von Wärmeproduktion die Effizienz der Schraubenvakuumpumpe verbessern kann. Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Leistungsaufnahme der Pumpe und der resultierenden Wärme, wobei eine hohe Leistungsdichte eine effektive Wärmeabfuhr erforderlich macht.
Eine Schraubenvakuumpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbaren die DE 197 45 615 A1 , die DE 197 45 616 A1 und die DE 101 56 179 A1 .
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Temperaturhaushalt einer Schraubenvakuumpumpe der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Offenbart wird außerdem eine Schraubenvakuumpumpe mit einem Gehäuse, zwei in dem Gehäuse angeordneten und miteinander in Eingriff stehenden Schraubenrotoren, die zum Fördern eines Prozessgases in Zusammenwirkung mit dem Gehäuse wiederholt abgeschlossene Fördervolumina des Prozessgases bilden und in Richtung eines Auslasses fördern, wobei die Schraubenvakuumpumpe zumindest eines der im Folgenden beschriebenen Merkmale aufweist.
Es kann ein Motor vorgesehen sein, der als Direktantrieb für einen der Schraubenrotoren ausgebildet ist. Da der Motor als Direktantrieb ausgebildet ist, muss keine Kupplung zwischen dem Motor und dem betreffenden Schraubenrotor vorgesehen werden. Da eine Kupplung im Betrieb grundsätzlich Wärme erzeugt, wird somit eine Wärmequelle vollständig vermieden. Außerdem werden so die entsprechenden mechanischen Verluste in der Kupplung vermieden, wodurch die Energieeffizienz der Pumpe verbessert wird.
Es kann eine aktive Flüssigkeitskühlung vorgesehen sein. Der Begriff "aktive Kühlung" bezieht sich auf eine fremdbetätigte Kühlung, also insbesondere eine Flüssigkeitskühlung mit einer Pumpe. Dabei kann z.B. eine separate Pumpe vorgesehen werden oder ein an einer Hausanschlussleitung ohnehin vorgesehener Wasserdruck ausgenutzt werden. Zum Beispiel kann die aktive Kühlung eine Wasserkühlung umfassen. Die aktive Kühlung sorgt für einen schnellen Wärmeabtransport und hilft so dabei, die Temperaturen in der Schraubenpumpe zu begrenzen
Es kann die aktive Flüssigkeitskühlung sowohl für die Schraubenrotoren als auch für den Motor vorgesehen sein. Somit werden die Temperaturen sowohl im Bereich des Motors als auch im Bereich der Schraubenrotoren begrenzt, also an Orten in der Pumpe, an denen eine besonders hohe Wärmeentwicklung erwartet wird. Der Begriff "für" umfasst sowohl eine aktive Kühlung im Bereich des betreffenden Elements, also z.B. im Bereich der Schraubenrotoren bzw. des Motors, als auch eine Ausführung unmittelbar in dem betreffenden Element. So kann beispielsweise im Rahmen der Erfindung eine aktive Flüssigkeitskühlung in oder an dem Gehäuse für die Schraubenrotoren in einem, insbesondere axialen Bereich vorgesehen sein, in dem die Schraubenrotoren angeordnet sind. Grundsätzlich kann eine einzige aktive Flüssigkeitskühlung sowohl für den Motor als auch für die Schraubenrotoren vorgesehen sein oder es können auch mehrere aktive Flüssigkeitskühlungen vorgesehen sein.
Insbesondere bildet der direkt angetriebene Schraubenrotor einen Läufer des Motors. Somit ist keine zusätzliche Lagerung für einen Schraubenrotor nötig, was mechanische Verluste und entsprechende Wärmeproduktion noch weiter verringert.
Der Motor kann z.B. als Permanentmagnetsynchronmaschine, insbesondere mit innenliegenden Magneten bzw. als IPMSM, ausgebildet sein. So lässt sich die Effizienz weiter steigern, insbesondere da sich durch einen IPMSM ein besonders hoher Wirkungsgrad erreichen lässt.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein, insbesondere externer, Frequenzumrichter für den Motor vorgesehen. Insbesondere mangels beweglicher Teile trägt dieser ebenfalls zur Verringerung mechanischer Verluste bei. So muss z.B. kein Übersetzungsgetriebe zwischen dem Motor und dem betreffenden Schraubenrotor vorgesehen werden. Da ein Übersetzungsgetriebe im Betrieb grundsätzlich Wärme erzeugt, wird somit eine weitere Wärmequelle vollständig vermieden. Außerdem werden so die entsprechenden mechanischen Verluste in dem Übersetzungsgetriebe vermieden, wodurch die Energieeffizienz der Pumpe weiter verbessert wird. Abgesehen davon, dass kein Übersetzungsgetriebe zwischen dem Motor und dem entsprechenden Schraubenrotor notwendig ist, kann jedoch z.B. ein Synchronisierungsgetriebe zwischen den Schraubenrotoren vorgesehen sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schraubenrotoren jeweils zumindest zwei entlang der Schraubenachse benachbarte Abschnitte aufweisen, wobei die Schraubenrotoren jeweils in einem näher an einem Einlass gelegenen ersten Abschnitt eine zumindest im Wesentlichen konstante oder zunehmende Steigung und in einem zweiten Abschnitt eine niedrigere Steigung als im ersten Abschnitt aufweisen, und wobei in Bezug auf die Schraubenachse der erste Abschnitt länger ist als ein abgeschlossenes Fördervolumen im ersten Abschnitt, insbesondere länger als 360° bzw. eine Umdrehung des Schraubenprofils. Hierdurch wird eine Spaltlänge zwischen einem verdichtenden Bereich und einem Einlass der Pumpe vergrößert, wodurch die entsprechende Dichtwirkung verbessert wird. Die Pumpe kann somit effizienter ausgeführt werden. Außerdem lässt sich hierdurch eine notwendige Bearbeitungsgüte einer Abschlussfläche für die Schraubenrotoren im Einlassbereich verringern. Dies verringert die Herstellungskosten der Pumpe.
Bei einer Weiterbildung ist im Bereich einer inneren Verdichtung der Pumpe ein Überdruckventil vorgesehen, welches mit einem Auslass der Pumpe verbunden ist oder einen Auslass bildet. Hierdurch kann der, insbesondere ohnehin nicht nützliche, Druck in diesem Bereich abgelassen werden, wenn er den am Auslass herrschenden Druck, also üblicherweise atmosphärischen Druck, übersteigt. Die innere Verdichtung wird somit auf atmosphärischen Druck begrenzt, was die für eine weitere Verdichtung nötige Antriebsleistung entbehrlich macht und entsprechend weitere Kompressionswärme vermeidet. Dies führt zu einer Verringerung der Temperatur.
Beispielsweise kann die Pumpe eine Steuereinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet und/oder eingerichtet ist, die Pumpe zumindest in einem Normalbetriebsmodus bei einer Rotordrehzahl von etwa 120 Hz oder weniger, insbesondere von etwa 120 Hz oder weniger und von etwa 80 Hz oder mehr, zu betreiben. Hierdurch werden eine entsprechend niedrige Leistungsaufnahme bzw. entsprechend niedrige mechanische Verluste erreicht. Dies gilt insbesondere im Bereich einer ausstoßenden Pumpstufe. Hier bzw. in einem Auslassbereich werden Rotor- und Gehäusetemperatur sowie Auslassgastemperatur niedrig gehalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet und/oder eingerichtet, die Pumpe zeitweise zumindest in einem Verstärkungsbetriebsmodus zu betreiben, bei dem die Rotordrehzahl höher ist als im Normalbetriebsmodus. Hierdurch kann die Leistung dann selektiv erhöht werden, wenn es nötig ist, während jedoch im Normalbetriebsmodus weiterhin die niedrige Leistungsaufnahme bzw. die niedrige Wärmeproduktion beibehalten werden. Es wird also eine insgesamt effiziente Pumpe zur Verfügung gestellt, die jedoch flexibel einsetzbar ist. Diese Ausführungsform ist beispielsweise besonders für Anwendung mit, insbesondere häufig, wiederholter Evakuierung vorteilhaft, da hier jeweils zum Beginn der Evakuierung bedarfsweise Leistung hinzugeschaltet werden kann, wobei die Leistungsaufnahme und Wärmeproduktion im Mittel relativ gering bleibt. Insbesondere kann es möglich sein, den flüssigkeitsgekühlten Motor kurzzeitig zu überlasten. So kann ein klein dimensionierter Motor zum Betrieb der Schraubenvakuumpumpe ausreichen.
Eine Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass für zumindest einen der Schraubenrotoren eine berührungslose Dichtung, insbesondere ein Kolbenring, vorgesehen ist. Die Wärmeproduktion lässt sich hierdurch weiter reduzieren, insbesondere im Vergleich zu einer Pumpe mit Radialwellendichtringen.
Es kann eine Schmiermittel-Abführeinrichtung, z.B. ein Deflektor, insbesondere benachbart zu einer Dichtung, vorgesehen sein. Diese kann eine Dichtung für einen Schraubenrotor unterstützen, indem ein insbesondere großer Teil des Schmiermittels, z.B. Öl, bereits gar nicht die Dichtung erreicht, sondern zuvor abgeführt wird. Dies kann insbesondere eine berührungslose Dichtung in ihrer Dichtwirkung verbessern.
Die Schraubenrotoren können zum Beispiel über ein Synchronisierungsgetriebe gekoppelt sein, wobei das Synchronisierungsgetriebe eine gerade Verzahnung aufweist. Dieses weist im Eingriff eine kleine Berührungsfläche, insbesondere im Vergleich zu einer Schrägverzahnung, auf. Entsprechend gering ist die Wärmeproduktion im Eingriffsbereich eines entsprechend ausgelegten Getriebes.
Wärmetechnisch vorteilhaft ist es außerdem, wenn wenig Schmiermittel, z.B. Öl, für das Synchronisierungsgetriebe eingesetzt wird, wobei natürlich ausreichend Schmiermittel vorhanden sein muss, um die Schmierung zu gewährleisten. Die geringe Schmiermittelmenge führt zu geringen mechanischen Verlusten im Schmiermittel selbst, wie z.B. durch Planschen von Öl.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die Pumpe derart ausgebildet ist, dass zumindest eine Wärmequelle, wie z.B. eine innere Verdichtung, ein Motor oder ein Getriebe, in der Nähe zumindest einer Wärmesenke, wie z.B. einer Flüssigkeitskühlung, angeordnet ist. Hierdurch wird eine besonders effektive Wärmeabfuhr gewährleistet.
Erfindungsgemäß ist die Pumpe derart ausgebildet, dass zwischen zumindest einer Wärmequelle und zumindest einem wärmeempfindlichen Bereich, z.B. einem wärmeempfindlichen Bauteil und/oder einem ölgeschmierten Bereich, eine Abschirmung angeordnet ist.
Die Abschirmung ist durch eine Taillierung des Gehäuses gebildet. Die Taillierung begrenzt einen möglichen Wärmestrom und sorgt so für eine wirksame Isolation. Gleichzeitig lässt sich eine Taillierung einfach herstellen und es sind insbesondere keine zusätzlichen Isolierungen notwendig.
Insbesondere im Bereich einer Taillierung ist es vorteilhaft, eine aktive Kühlung vorzusehen. So lässt sich ein Wärmestau in diesem Bereich effektiv abführen. Die Taillierung wirkt dabei gewissermaßen wie eine Wärmesammelstelle für die aktive Kühlung, sodass die Wärme im Wesentlichen nicht oder kaum die Taillierung passiert, jedoch zu einem großen Teil der aktiven Kühlung zugeführt wird.
Die Abschirmung kann insbesondere zwischen einem Auslass und einem Lagerabschnitt für die Schraubenrotoren vorgesehen sein. So kann insbesondere ein im Lagerabschnitt vorgesehenes Schmiermittel vor hohem Wärmeeintrag vom Auslassbereich geschützt werden, da Schmiermittel häufig temperaturempfindlich sind bzw. für höhere Temperaturen teurer in der Anschaffung sind.
Die Abschirmung kann auch als Isolation, beispielsweise als eine Isolationsschicht, insbesondere mit einem schlecht wärmeleitenden Material, beispielsweise einem geschäumten Material oder einem Gas, wie z.B. Luft, ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Lagerabschnitt, insbesondere ein Lagerschild, als Sandwich-Bauteil, insbesondere mit einer Isolationsschicht, ausgebildet sein. Hierdurch kann der Wärmeübergang von einem pumpaktiven Bereich zum Lagerbereich weiter verringert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Flüssigkeitskühlung derart ausgebildet, dass sie im Bereich einer Wärmequelle eine turbulente Strömung ausbildet. Hierdurch wird in diesem Bereich eine besonders guter Wärmeübergang gewährleistet. Grundsätzlich kann es von Vorteil sein, ein geringes Volumen, also insbesondere einen kleinen Leitungsquerschnitt und/oder eine geringe Gesamtflüssigkeitsmenge, für einen Kühlkreis und/oder eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids vorzusehen. Dies erlaubt einen besonders guten Wärmeübergang, insbesondere durch Ausbildung turbulenter Strömungsverhältnisse. Turbulenzen lassen sich beispielsweise auch durch lokale Verengungen einer Kühlleitung bzw. durch abrupte Änderungen ihrer Innenflächen erzeugen.
Generell kann vorgesehen sein, eine effiziente Kühlung, insbesondere durch eine schnelle lokale Wärmeabfuhr, insbesondere direkt oder möglichst nah an einer Wärmequelle zu gewährleisten. Hierfür können beispielsweise Kühlleitungen der aktiven Kühlung Aluminium oder einen anderen Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit umfassen, in einem Aluminiumgusskörper ausgebildet sein und/oder als, insbesondere in Gehäusenuten, eingepresste Kühlleitungen ausgebildet sein. Kühlleitungen sind insbesondere nah an einer Wärmequelle angeordnet und/oder folgen ihrer Kontur in möglichst geringem Abstand. Generell können Kühlkreise auch zur Kühlung verschiedener Wärmequellen aufgeteilt werden und/oder geeignet verschaltet werden. Dabei kann beispielsweise ein Abschnitt des Kühlkreises komplett für einen besonders warmen oder wärmeempflindlichen Bereich, insbesondere ein besonders warmes oder wärmeempfindliches Bauteil, vorgesehen sein, während beispielsweise andere Abschnitte des Kühlkreises für andere Bereich bzw. Bauteile, die weniger empfindlich sind oder weniger Wärme produzieren, in Reihe geschaltet werden können.
Zur Verbesserung der Kühlleistung ist es außerdem vorteilhaft, Wärmequellen in der Pumpe gruppiert, benachbart und/oder in der Nähe voneinander anzuordnen. Hierdurch kann bereits eine lokale Kühlung ausreichen, um mehrere Wärmequellen gemeinsam zu kühlen. Konzentriert erzeugte Wärme lässt sich besonders gut abführen.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, unvermeidbare Wärmequellen in der Nähe des Auslasses anzuordnen. Der Auslass stellt dabei insbesondere selbst eine Wärmequelle dar. Die Wärme ist hier lokal besonders effektiv abführbar.
Es kann z.B. ein Tauchkühler vorgesehen sein, der insbesondere Aluminium umfasst. Der Tauchkühler kann beispielsweise in einem Bad eines Schmiermittels der Vakuumpumpe, insbesondere eines Sychnronisierungsgetriebes, insbesondere einem Ölbad, angeordnet sein. Hierdurch lässt sich die Temperatur eines empfindlichen Schmiermittels besonders gut kontrollieren bzw. kann in diesem temperaturempfindlichen Bereich für eine lokale Kühlung gesorgt werden, während andere Bereiche gegebenenfalls weniger stark gekühlt werden müssen.
Die Schraubenrotoren der Schraubenvakuumpumpe können insbesondere durch ein Zykloidenprofil gebildet sein bzw. ein solches aufweisen und/oder zweigängig ausgebildet sein. Eine Schraubensteigung der Schraubenrotoren kann beispielsweise abschnittsweise konstant ausgebildet sein, d.h. die Steigung verändert sich entlang einer Schraubenachse lediglich in Übergangsbereichen zwischen den Abschnitten, wobei ein Übergangsbereich insbesondere kleiner als ein Abschnitt ist, insbesondere alle Übergangsbereiche kleiner als alle Abschnitte sind.
Ein Auslass der Pumpe kann zum Beispiel nach unten hin ausgerichtet sein. Ein Einlass der Pumpe kann zum Beispiel nach oben hin ausgerichtet sein.
Die Schraubenvakuumpumpe kann beispielsweise eine innere Verdichtung mit einem Verdichtungsverhältnis kleiner als 5 zu 1, inbesondere kleiner als 4 zu 1, insbesondere kleiner als 3,5 zu 1, und/oder größer als 2 zu 1, insbesondere größer als 3 zu 1, aufweisen. Ein jeweiliges Schraubenprofil kann z.B. mehr als 7, insbesondere mehr als 10, insbesondere mehr als 12, insbesondere 13 abgeschlossene Fördervolumina gleichzeitig bilden bzw fördern. Ein jeweiliger Schraubenrotor kann insbesondere ein Verhältnis der Länge seines Schraubenprofils zu dessen Durchmesser von wenigstens 2,0, insbesondere wenigstens 2,5, insbesondere wenigstens 3,0 und/oder höchstens 5,0, insbesondere höchstens 4,0, aufweisen.
Bei einem beispielhaften Verfahren zum Betrieb eines Vakuumsystems mit einer Schraubenvakuumpumpe, insbesondere gemäß einer hierin beschriebenen Art, wird eine Vakuumkammer, insbesondere häufig, insbesondere mehrmals am Tag, insbesondere mehrmals in der Stunde, wiederholt evakuiert, wobei insbesondere eine der Schraubenpumpe vorgeschaltete Wälzkolbenpumpe vorgesehen ist, wobei insbesondere die Wälzkolbenpumpe ein Saugvermögen aufweist, welches höchstens dreimal, insbesondere höchstens oder etwa doppelt, so groß ist wie ein Saugvermögen der Schraubenvakuumpumpe.
Da bei wiederholten Evakuierungen, die auch als Load-Lock-Anwendungen bezeichnet werden, häufig bzw. insgesamt relativ lange bei hohen Drücken nahe Atmosphäre gearbeitet wird, führt das genannte vorteilhafte Saugvermögensverhältnis und/oder ein geringes Verdichtungsverhältnis dazu, dass nur eine geringe Verdichtungsleistung aufgebracht werden muss und nur eine geringe Verdichtungswärme entsteht, die hierdurch leicht abzuführen ist. Somit wird ein besonders effizienter Betrieb des Vakuumsystems ermöglicht.
Bei einem weiteren beispielhaften Verfahren zum Betrieb eines Vakuumsystems mit einer Schraubenvakuumpumpe, insbesondere gemäß einer hierin beschriebenen Art, wird eine Vakuumkammer bei einem Enddruck im Wesentlichen dauerhaft betrieben, wobei insbesondere eine der Schraubenpumpe vorgeschaltete Wälzkolbenpumpe vorgesehen ist, wobei insbesondere die Wälzkolbenpumpe ein Saugvermögen aufweist, welches wenigstens fünfmal, insbesondere wenigstens siebenmal, so groß ist wie ein Saugvermögen der Schraubenvakuumpumpe.
Bei vornehmlichem Betrieb im Enddruck führt das genannte vorteilhafte Saugvermögensverhältnis und/oder ein hohes Verdichtungsverhältnis nicht zu den oben geschilderten Nachteilen. Vielmehr lässt sich hierdurch eine klein dimensionierte Schraubenvakuumpumpe einsetzen, was kostentechnisch vorteilhaft ist.
Falls sowohl eine wiederholte Evakuierung als auch ein relativ langer Betrieb im Enddruck notwendig sind oder ermöglich werden sollen, kann es vorteilhaft sein, das Saugvermögensverhältnis und/oder das Verdichtungsverhältnis so auszulegen, dass ein geeigneter Kompromiss erzielt wird.
Die hierin beschriebenen Pumpen, Pumpsysteme und Verfahren lassen sich im Sinne aller hierin beschriebenen Merkmale bzw. Maßnahmen für Pumpen, Pumpsysteme und Verfahren weiterbilden.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand der schematischen Zeichnung erläutert.

Fig. 1: zeigt eine Schraubenvakuumpumpe in perspektivischer Ansicht.
Fig. 2: zeigt die Schraubenvakuumpumpe der Fig. 1 in einer Draufsicht.
Fig. 3: zeigt die Schraubenvakuumpumpe der Fig. 1 und 2 in einer Seitenansicht.
Fig. 4: zeigt eine Schnittansicht der Schraubenvakuumpumpe entlang einer in Fig. 3 angedeuteten Schnittebene A-A.
Fig. 5: zeigt einen Tauchkühler der Schraubenvakuumpumpe der Fig. 1 bis 4.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Schraubenvakuumpumpe 10 gezeigt, die einen Motor 12, einen Getriebekasten 14, ein Gehäuse 16, einen Lagerschild 18 sowie einen Deckel 20 aufweist. Die Schraubenvakuumpumpe 10 fördert ein Prozessgas von einem Einlass 22 zu einem nach unten gerichteten, in Fig. 3 sichtbaren Auslass 24.
Für den Motor 12 ist eine aktive Flüssigkeitskühlung vorgesehen, die aus einem Gehäuse des Motors 12 austritt. Für im Inneren des Gehäuses 16 angeordnete und in Fig. 4 sichtbare Schraubenrotoren 28 und 30 ist ebenfalls eine aktive Flüssigkeitskühlung vorgesehen, die zwei Kühlleitungen aufweist, welche in Fig. 1 nicht dargestellt sind, deren Verlauf aber durch entsprechende Nuten 32 des Gehäuses 16 angedeutet ist, in die die Kühlleitungen eingepresst werden. Des Weiteren sind aktive Flüssigkeitskühlungen im Getriebekasten 14 und im Deckel 20 vorgesehen und hier jeweils als Tauchkühler 34 ausgebildet, die unten anhand von Fig. 5 näher erläutert werden.
Wie es in den Fig. 1 bis 4 ersichtlich ist, weist das Gehäuse 16 der Schraubenvakuumpumpe 10 eine Taillierung 36 auf. Die Taillierung 36 ist im Bereich des Auslasses 24 angeordnet.
In Fig. 4 ist die Schraubenvakuumpumpe 10 in einer Schnittansicht gezeigt, deren Schnittebene der Linie A-A in Fig. 3 entspricht. Es sind zwei Schraubenrotoren 28 und 30 sichtbar, die jeweils zweigängige, ineinandergreifende Schraubenprofile 38 und 40 aufweisen, die mit Hilfe eines Zykloidenprofil generiert sind und eine zylindrische Hüllkontur sowie eine zylindrische Grundform des Schraubengrundes aufweisen. Die Schraubenprofile 38 und 40 bilden in Zusammenwirkung mit dem Gehäuse 16 einen pumpaktiven Bereich der Schraubenvakuumpumpe 10 und fördern wiederholt abgeschlossene Fördervolumina des Prozessgases vom Einlass 22 zum Auslass 24, in Fig. 4 also von links nach rechts.
Die Pumpleistung der Schraubenvakuumpumpe 10 hängt von Größe und Gestalt verschiedener Spalte im pumpaktiven Bereich ab, die aufgrund der Relativbewegung von Rotoren 28, 30 und Gehäuse 16 zwar unvermeidbar sind, jedoch zwecks guter Pumpleistung klein und möglichst konstant zu halten sind. Temperaturänderungen in den beteiligten Bauteilen führen zu deren Formänderung. Die hierin beschriebenen Maßnahmen zur Vermeidung, Abführung und im Allgemeinen Beherrschung von Wärme in der Pumpe 10 bewirken somit eine möglichst geringe Formänderung und in der Folge möglichst beherrschbare Spalte. Die Spalte können also präziser ausgelegt werden, was die Pumpleistung bzw. ihre Effizienz verbessert.
Der Schraubenrotor 28 wird direkt, also ohne zwischengeschaltete Kupplung, von dem Motor 12 angetrieben. Der Schraubenrotor 30 wird dagegen über ein Synchronisierungsgetriebe 42 mit Zahnrädern 43 in einem definierten Winkelverhältnis zum Schraubenrotor 28 angetrieben.
Der Motor 12 umfasst ein Gehäuse 44, welches zum Beispiel aus Aluminium hergestellt ist und in welchem Kühlleitungen 26 für die aktive Flüssigkeitskühlung ausgebildet sind. Der Motor 12 umfasst außerdem einen gewickelten Stator 46, der zusammen mit einem auf einem Wellenende des Schraubenrotors 28 angebrachten Magnetträger 48 einen elektrischen Motor und einen Direktantrieb für den Schraubenrotor 28 bildet. Der Schraubenrotor 28 bildet einen Läufer des Motors 12. Der Magnetträger 48 umfasst eine Mehrzahl an Permanentmagneten. Der Motor 12 bildet also eine Permanentmagnetsynchronmaschine mit innenliegenden Magneten, welche auch als IPMSM bezeichnet wird.
Der Stator 46 ist in einem Vergusskörper 50 angeordnet, welcher nicht näher dargestellte elektrische Leiter beim Stator 46 isoliert und diese isoliert zu einer Platine 52 führt. Der Vergusskörper 50 bildet hier in Verbindung mit der Platine 52 einen vakuumdichten Anschluss des Motors 12 an eine in einem Bereich atmosphärischen Drucks vorgesehene Steuerungselektronik. Es kann z.B. ein externer Frequenzumrichter für den Motor 12 vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann auf der Platine 52 zumindest ein Teil einer Steuerungselektronik für den Motor 12 vorgesehen sein.
In dem Getriebekasten 14 ist das Synchronisierungsgetriebe 42 angeordnet. Im Getriebekasten 14 ist außerdem Öl als Schmiermittel vorgesehen, welches durch Spritzscheiben 54 über das Synchronisierungsgetriebe 42 und benachbarte Lager 56 verteilt wird.
Die Tailllierung 36 bildet eine Abschirmung bzw. eine Wärmebarriere, und zwar insbesondere für Wärme, die im Bereich der Schraubenrotoren 28, 30 während des Pumpbetriebs produziert wird. Dadurch, dass ein geringer Materialquerschnitt verbleibt, und dadurch, dass durch die Formänderung ein Wärmepfad verlängert ist, wird die Wärme vom Schraubenrotor, die sich ansonsten im Gehäuse 16 ausbreitet, daran gehindert, in jenseitige Bereiche zu gelangen. So werden insbesondere das Öl im Getriebekasten 14 und die Lager 56 vor zu hohen Temperaturen geschützt. Der im Getriebekasten 14 angeordnete Tauchkühler 34 trägt ebenfalls zur Temperaturreduzierung bei. Dieser ist in einem nicht dargestellten Ölbad des Getriebekastens 14 angeordnet und kühlt somit das Öl direkt.
Für einen jeweiligen Schraubenrotor 28 bzw. 30 ist benachbart zu den Lagern 56, die hier eine Festlagerung bilden, eine als Deflektor 58 ausgebildete Schmiermittel-Abführeinrichtung vorgesehen. Ein jeweiliger Deflektor 58 bildet eine Barriere für das Öl im Getriebekasten, damit es nicht in einen pumpaktiven Bereich oder einen Vakuumbereich, hier insbesondere einen Auslassbereich, gelangt. Der Deflektor 58 umfasst eine nicht näher veranschaulichte Abschleuderkante für das Öl. Gegenüber der Abschleuderkante ist im Gehäuse 16 eine Ablaufnut ausgebildet, die abgeschleudertes Öl aufnimmt und dieses zurück in den Getriebekasten 14 bzw. in ein dortiges Ölbad leitet. Das Öl, welches durch die Spritzscheiben 54 auf Getriebe 42 und Lager 56 gefördert bzw. verteilt wird, wird somit durch die Deflektoren 58 wieder von den Rotoren 28 bzw. 30 abgeführt.
Als dynamische Fluiddichtung sind Kolbenringe auf einem Kolbenringträger 60 vorgesehen. Diese bilden eine berührungslose Dichtung und vermeiden somit Reibungswärme. Die Deflektoren 58 führen möglichst viel Öl zum Getriebekasten 14 zurück, sodass bereits möglichst wenig Öl an den Kolbenringen ansteht. So wird eine insgesamt zuverlässige Dichtwirkung bei besonders geringer Wärmeproduktion erreicht.
Die Schraubenrotoren 28 und 30 weisen in ihrem jeweiligen Schraubenprofil 38 bzw. 40 drei Abschnitte unterschiedlicher Steigung auf. Ein in Pumprichtung erster Abschnitt 62, in Fig. 4 links, bildet einen Ansaugabschnitt und weist eine konstante und die größte Steigung unter den drei Abschnitten auf. Der erste Abschnitt 62 ist in Bezug auf eine Schraubenachse 63, die entlang eines jeweiligen Rotors 28 bzw. 30 verläuft, länger als ein abschlossenes Fördervolumen im ersten Abschnitt. Ein zweiter Abschnitt 64 weist mehrere Unterabschnitte, die nicht näher referenziert sind, mit verschiedenen aber jeweils konstanten Steigungen im Schraubenprofil 38 bzw. 40 auf, wobei die Steigungen niedriger sind, als im ersten Abschnitt. Der zweite Abschnitt 64 bildet hier den längsten Abschnitt. Ein dritter Abschnitt 66 mit noch niedrigerer Steigung bildet einen Ausstoßabschnitt. Im dritten Abschnitt liegt wiederum eine konstante Steigung vor. Durch die entlang der Pumprichtung verminderte Steigung wird eine innere Verdichtung bewirkt, die das Prozessgas schon vor dem Ausstoßen verdichtet.
Die Rotoren 28, 30 bzw. die Schraubenprofile 38, 40 lassen sich durch das Vorsehen der konstanten Abschnitte besonders einfach auslegen und fertigen. Wie es anhand von Fig. 4 ersichtlich ist, führt ein verlängerter erster Abschnitt 62 zu entsprechend verlängerten Spalten zwischen den Schraubenprofilen 28, 30 und dem Gehäuse 16, sodass der Weg bzw. die Spalte von der inneren Verdichtung am Übergang der Abschnitte 62 und 64 hin zu einem Schöpfraum oder Ansaugbereich 67 länger ist. Entsprechend erhöht ist also die Dichtwirkung der Spalte, was insbesondere bei hohen Differenzdrücken zu einer verbesserten Abdichtung der inneren Verdichtung gegenüber dem Ansaugbereich 67 führt.
Die Schraubenvakuumpumpe 10 weist also eine innere Verdichtung auf. Die Schraubenrotoren 28, 30 der Pumpe 10 schließen in Zusammenwirkung mit dem Gehäuse 16 wiederholt abgeschlossene Fördervolumina ein. Deren Größe ist an einem einlassseitigen Ende bzw. im Abschnitt 62 größer als an einem auslassseitigen Ende bzw. im Abschnitt 62. Die Größe eines Fördervolumens wird durch einen Querschnitt eines Schraubenprofils 38, 40 und dessen Steigung bestimmt.
Die Größe eines Fördervolumens auf der Einlassseite bzw. im Abschnitt 62 bestimmt ein theoretisches Saugvermögen der Schraubenpumpe 10. Die Steigung des Schraubenprofils 38, 40 ist einlassseitig über Abschnitt 62 konstant, damit das Fördervolumen erst nach Abschluss durch die innere Verdichtung komprimiert wird. Schließt ein jeweiliger Rotor 28, 30 ein jeweiliges Fördervolumen zu früh oder zu spät bzw. beginnt die innere Verdichtung zu früh, sinkt das theoretische Saugvermögen der Pumpe.
Die Größe eines jeweiligen Fördervolumens auf der Auslassseite bzw. im Abschnitt 66 bestimmt die Leistungsaufnahme der Pumpe im Betrieb bei einem erreichbaren Enddruck. Das Verhältnis der Größen des Fördervolumens an Einlassseite und Auslasseite bzw. in den Abschnitten 62 und 66 entspricht dem Verhältnis der inneren Verdichtung der Pumpe.
In Abschnitt 66 ist die Steigung über mehrere Umdrehungen des Schraubenprofils 38, 40 konstant. Die Steigung entspricht dabei in etwa dem Minimum der durch ein bestimmtes Bearbeitungswerkzeug erreichbaren Steigung und ist somit, insbesondere unter Kostenabwägung, fertigungstechnisch bedingt. Dadurch, dass mehrere Umdrehungen, also mehrere abgeschlossene Fördervolumina, im Abschnitt 66 vorgesehen sind, wird eine Rückströmung infolge einer Druckdifferenz zwischen den Spalten ausgeglichen. Insgesamt bestimmen insbesondere der gesamte Steigungsverlauf entlang der Rotoren 28, 30 und die Größe der sich zwischen den Rotoren 28, 30 und zwischen Rotoren 28, 30 und dem Gehäuse 16 ausbildenden Spalte die vakuumtechnischen Leistungsdaten der Pumpe, also insbesondere das Saugvermögen und einen erreichbaren Enddruck.
Die Schraubenprofile 38, 40 weisen durch ihre zweigängige Ausgestaltung eine besonders geringe Unwucht auf. Es sind also beispielsweise keine Ausgleichselemente, wie z.B. Ausgleichsmassen, die zusätzlichen Bauraum erfordern, und/oder Ausgleichsbohrungen, in denen sich Material ablagern kann, notwendig. Die Pumpe kann mit den zweigängigen Zykloidenschraubenprofilen 38, 40 in einem weiten Drehzahlbereich, insbesondere mit Drehzahlregelung, und/oder beispielsweise in einer Stand-By-Betriebsart betrieben werden.
Die Verdichtung des Prozessgases im Allgemeinen erzeugt Wärme, die bei der Schraubenpumpe 10 vornehmlich durch eine Flüssigkeitskühlung abgeführt wird. In Fig. 4 sind die hierfür vorgesehenen Nuten 32 sichtbar. Kühlleitungen der Flüssigkeitskühlung erstrecken sich hier und vorzugsweise in Längsrichtung über einen weiten Bereich der Schraubenprofile, insbesondere über wenigstens die Hälfte der Länge der Schraubenprofile. Insbesondere ist die Flüssigkeitskühlung im Bereich oder in der Nähe einer inneren Verdichtung angeordnet.
An einem einlassseitigen Ende des Gehäuses 16 ist der Lagerschild 18 befestigt. Dieser trägt unter anderem eine weitere Lagerung mit Lagern 68, die eine Loslagerung bilden. Im Gegensatz zu einem gegenüberliegenden, an einem auslassseitigen Gehäuseende angeordneten Lagerschild 70, der integral mit dem Gehäuse 16 ausgebildet ist aber auch separat ausgebildet sein kann, ist der Lagerschild 68 als separates Bauteil ausgebildet, kann jedoch auch integral ausgebildet sein.
Einlassseitig sind ebenfalls Spritzscheiben 54, Deflektoren 58 und ein Kolbenringträger 60 mit mehreren Kolbenringen vorgesehen, die entsprechend der auslassseitigen Anordung arbeiten. Einlassseitig ist ein weiteres, separat ausgeführtes Ölbad im Deckel 20 vorgesehen. Auch für dieses Ölbad ist ein Tauchkühler 34 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann auch beispielsweise eine Kühlleitung in einer Wand des Lagerschildes 14 und/oder des Deckels 20 vorgesehen, insbesondere vergossen sein
Am Anfang eines Abpumpvorganges durch die Pumpe 10 herrscht gewöhnlich am Einlass 22 im Wesentlichen der gleiche Druck wie am Auslass. Während des Abpumpens sinkt dagegen der Druck am Einlass 22 bis hin zu einem Enddruck, der hinsichtlich resultierender Kräfte im Wesentlichen Null ist. Somit übt der Druck am Auslass 24 eine Kraft auf die Rotoren 28, 30 aus, die anders ist als am Anfang des Abpumpvorgangs. Um diese Kraft auszugleichen kann z.B. eine Vorspanneinrichtung, insbesondere eine Feder, vorgesehen sein, die insbesondere bei einem Loslager des Rotors und/oder einlassseitig vorgesehen ist. Die Vorspanneinrichtung kann beispielsweise auch durch schräg verzahnte Zahnräder auf die Rotoren wirkende Kräfte aufnehmen und/oder generell eine auslegungsgerechte Vorspannung der Lager unabhängig vom Betriebszustand bei sich verändernden Drücken bzw. Druckverhältnissen gewährleisten.
In Fig. 5 ist ein Tauchkühler 34 dargestellt, wie er im Getriebekasten 14 bzw. im Deckel 20 der Schraubenvakuumpumpe 10 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform sind die Tauchkühler 34 also identisch ausgebildet, was zu einer geringen Teilevielfalt und geringen Herstellungskosten führt.
Der Tauchkühler 34 weist eine Kühlleitung 72 auf, die durch einen Kühlkörper 74 verläuft. Der Kühlkörper weist eine Strukturierung zur Erhöhung der Oberfläche des Kühlkörpers auf, um die Wärmeübertragung zu optimieren. Der Tauchkühler 34 weist außerdem einen Flansch 76 auf, mit dem der Tauchkühler 34 befestigt wird.

Bezugszeichenliste

10: Schraubenvakuumpumpe
12: Motor
14: Getriebekasten
16: Gehäuse
18: Lagerschild
20: Deckel
22: Einlass
24: Auslass
26: Kühlleitung
28: Schraubenrotor
30: Schraubenrotor
32: Nut
34: Tauchkühler
36: Taillierung
38: Schraubenprofil
40: Schraubenprofil
42: Synchronisierungsgetriebe
43: Zahnrad
44: Gehäuse
46: Stator
48: Magnetträger
50: Vergusskörper
52: Platine
54: Spritzscheibe
56: Lager
58: Deflektor
60: Kolbenringträger
62: erster Abschnitt
63: Schraubenachse
64: zweiter Abschnitt
66: dritter Abschnitt
67: Ansaugbereich
68: Lager
70: Lagerschild
72: Kühlleitung
74: Kühlkörper
76: Flansch

Claims

Schraubenvakuumpumpe (10) mit
einem Gehäuse (16),
zwei in dem Gehäuse (16) angeordneten und miteinander in Eingriff stehenden Schraubenrotoren (28, 30), die zum Fördern eines Prozessgases in Zusammenwirkung mit dem Gehäuse (16) wiederholt abgeschlossene Fördervolumina des Prozessgases bilden und in Richtung eines Auslasses (24) fördern, und
einem Motor (12), der als Direktantrieb für einen der Schraubenrotoren (28) ausgebildet ist,
wobei sowohl für die Schraubenrotoren (28, 30) als auch für den Motor (12) eine aktive Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen zumindest einer Wärmequelle und einem wärmeempfindlichen Bereich eine Abschirmung angeordnet ist, welche als eine Taillierung (36) des Gehäuses (16) ausgebildet ist.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der direkt angetriebene Schraubenrotor (28) einen Läufer des Motors (12) bildet.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Motor (12) als Permanentmagnetsynchronmaschine, insbesondere mit innenliegenden Magneten, ausgebildet ist.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
für den Motor (12) ein Frequenzumrichter vorgesehen ist.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schraubenrotoren (28, 30) jeweils zumindest zwei entlang der Schraubenachse (63) benachbarte Abschnitte (62, 64) aufweisen,
wobei die Schraubenrotoren (28, 30) jeweils in einem näher an einem Einlass (22) gelegenen ersten Abschnitt (62) eine zumindest im Wesentlichen konstante und in einem zweiten Abschnitt (64) eine niedrigere Steigung als im ersten Abschnitt (62) aufweisen, und
wobei in Bezug auf die Schraubenachse (63) der erste Abschnitt (62) länger ist als ein abgeschlossenes Fördervolumen im ersten Abschnitt (62).
Schraubenvakuumpumpe (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich einer inneren Verdichtung der Pumpe (10) ein Überdruckventil vorgesehen ist, welches mit einem Auslass (24) der Pumpe (10) verbunden ist oder einen Auslass (24) bildet.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pumpe (10) eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet und/oder eingerichtet ist, die Pumpe (10) zumindest in einem Normalbetriebsmodus bei einer Rotordrehzahl von etwa 120 Hz oder weniger, insbesondere von etwa 120 Hz oder weniger und von etwa 80 Hz oder mehr, zu betreiben.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung dazu ausgebildet und/oder eingerichtet ist, die Pumpe (10) zeitweise zumindest in einem Verstärkungsbetriebsmodus zu betreiben, bei dem die Rotordrehzahl höher ist als im Normalbetriebsmodus.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
für zumindest einen der Schraubenrotoren (28, 30) eine berührungslose Dichtung, insbesondere wenigstens ein Kolbenring, vorgesehen ist.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schraubenrotoren (28, 30) über ein Synchronisierungsgetriebe (42) gekoppelt sind, wobei das Synchronisierungsgetriebe (42) eine gerade Verzahnung aufweist.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pumpe (10) derart ausgebildet ist, dass zumindest eine Wärmequelle in der Nähe zumindest einer Wärmesenke angeordnet ist.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Taillierung (36) zwischen einem Auslass (24) und einem Lagerabschnitt (58) für die Schraubenrotoren (28, 30) vorgesehen ist.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flüssigkeitskühlung derart ausgebildet ist, dass sie im Bereich einer Wärmequelle eine turbulente Strömung ausbildet.
Schraubenvakuumpumpe (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schraubenrotoren durch ein, insbesondere zweigängiges, Zykloidenprofil gebildet sind.