SE517211C2 - Tryckluftdriven vakuumpump av skruvrotortyp - Google Patents

Description

20 25 30 517 211_ 2 Ett syfte med denna uppfinning är att anvisa en vakuumpump, som drives av en expander och som förmår skapa ett betydligt större undertryck än denna kända vakuum- Pump- Enligt uppfinningen är föreliggande vakuumpump av skruvrotortyp och innefat- tar en kompressordel med en första hanrotorkropp och en med den första hanrotorkrop- pen samverkande första honrotorkropp och med en inloppsport för gas, som skall kom- primeras och en utloppsport för komprimerad gas, en expanderdel med en andra hanro- torkropp och en med den andra hanrotorkroppen samverkande andra honrotorkropp och med en inloppsport för gas under tryck från en tryckkälla och en utloppsport för expan- derad gas, en första gemensam axel för hanrotorkropparna, en andra gemensam axel för honrotorkroppama, ett rotorkropparna omgivande rotorhus i form av två varandra skärande cylindrar, en mellanvägg mellan de första rotorkropparna och de andra rotor- kropparna, vilken mellanvägg delar pumpen i kompressordelen och expanderdelen.

Det utmärkande för uppfinningen är att axlarna uppvisar genomgående centrala kylkanaler. Andra viktiga särdrag framgår av de av huvudkravet beroende kraven.

Uppfinningen beskrivs närmare med hjälp av ritningen, på vilken figur 1 visar schematiskt visar en skruvkompressor i horisontalsnitt, figur 2 visar schematiskt ett snitt genom kompressom i figur 1 utmed linjen II; figur 3 visar schematiskt i horisontalsnitt föreliggande vakuumpump, figur 4 visar ett snitt genom en rotoraxel med en central kanal, i vilken en insats är placerad.

En kortfattad beskrivning av uppbyggnad och arbetsprincip hos en skruvkom- pressor ges med hänvisning till fig. 1 och 2.

Ett par i varandra ingripande skruvrotorer 101, 102 är roterbart anordnade i ett arbetsrum begränsat av två ändväggar 103, 104 och en mantelvägg 105, som sträcker sig mellan dessa. Mantelväggen 105 har en form, som i huvudsak motsvarar den hos två varandra skärande cylindrar, såsom framgår av fig. 2. Varje rotor 101 , 102 har ett flertal lober 106 resp. 107 och mellanliggande spår 111 resp. 112, vilka sträcker sig i en helix- linje längs rotorn. En rotor 101 är av hanrotortyp med större delen av varje lob 106 belä- gen utanför delningscirkeln och den andra rotorn 102 är av honrotortyp med större delen av varje lob 107 belägen innanför delningscirkeln. Honrotorn 102 har vanligen fler lober än hanrotorn 101. En vanlig kombination är att hanrotorn 101 har 4 lober och honrotorn 102 har 6 lober. l: .Zlïlš HE 'ålllllïl“l'ïíš" o bonus o 10 15 20 25 30 517 211 3 Den för komprimering avsedda gasen, vanligen luft, tillförs kompressoms arbets- rum genom en inloppsport 108 och komprimeras sedan i V-formiga arbetskamrar, som bildas mellan rotorerna och arbetsrurnmets väggar. Varje arbetskammare förflyttar sig mot höger i fig. 1 då rotorema 101, 102 roterar. Volymen hos en arbetskammare minskar då kontinuerligt under den senare delen av sin cykel, efter det att kommunikation med inloppsporten 108 har skurits av. Därigenom komprimeras gasen och den komprimerade gasen länmar kompressom genom en utloppsport 109. Förhållandet mellan utloppstryck- et och inloppstrycket är bestämt av det inbyggda volymförhållandet mellan en arbets- kamrnares volym omedelbart efter det att dess kommunikation med inloppsporten 108 har skurits av och dess volym när den börjar kommunicera med utloppsporten 109.

En skruvexpander har motsvarande principiella uppbyggnad och fungerar på motsvarande sätt. Inloppet till expandem är ansluten till en högtryckskälla och utloppet mynnar vanligen till omgivande atmosfär.

Ifigur 3 betecknar 1 en utföringsforrn av föreliggande vakuumpump 1, som inne- fattar en kompressordel 2 och en expanderdel 3, vilka är anordnade i ett gemensamt hus.

Huset innefattar en mantelvägg 4, som har formen av två varandra skärande cylindrar och en första och en andra ändvägg 5 respektive 6. Kompressordelen 2 är skild från ex- panderdelen 3 av en mellanvägg 7 på avstånd från ändväggarna 5, 6.

Vakuumpumpen 1 uppvisar en första axel 8 och en andra axel 9, vilka är lagrade i ändväggarna 5, 6 och går genom var sin öppning 14, 15 i mellanväggen 7.

En första hanrotorkropp 10 är anordnad på den första axel 8 och sträcker sig mellan den första ändväggen 5 och mellanväggen 7, vilka väggar tillsammans med mantelväggen 4 bildar kompressordelens 2 hölje. En första honrotorkropp 11 är anord- nad på den andra axeln 9 och sträcker sig mellan den första ändväggen 5 och mellanväg- gen 7. Dessa rotorkroppar 10, 11 samverkar med varandra och uppvisar endast ett ringa spel till den första ändväggen 5 respektive mellanväggen 7.

I expanderdelen 3 finns på liknande sätt en andra hanrotorkropp 12 på den första axeln 8 och en andra honrotorkropp 13 på den andra axeln 9, vilka rotorkroppar 12, 13 samverkar med varandra och sträcker sig mellan mellanväggen 7 och den andra ändväg- gen 6 med endast ringa spel till dessa väggar.

Kompressordelen 2 är försedd med en inloppsport 28, som är anslutbar till ett rum som skall evakueras. Vidare är kompressordelen 2 försedd med en axiell utlopps- port 29, som via en utloppskanal 30 i mantelväggen förbinder denna med omgivande atmosfär. lïÜlï 111111 lll flllïlššlïïlšš Ilï "'11" 10 15 20 25 30 517 211 4 Mantelväggen 4 av kompressordelen 2 är även försedd med en radiell extra ut- .n = oo - . 22 !°! 2 nu ' ' ' loppsport 31 mellan inloppsporten 28 och den axiella utloppsporten 29. Denna radiella utloppsport 31 är inte erforderlig för vakuumpumpens 1 drift. Den ingår i en föredragen utföringsform för att förbättra vakuumpumpens 1 kapacitet i evakueringens första skede, när trycket i det rum, som skall evakueras har sitt största värde. Den radiella utlopps- porten 31 har forrnen av en radiell kanal, i vilken en tryckbelastad kolv 32 är rörlig en- dast i axiellt led. Kolven 32 är låst mot vridning omkring sin egen axel på känt sätt. En förbindelsekanal 33 förbinder den radiella utloppsporten 31 med kompressordelens 2 axiella utloppsport 29. Kolvens 32 närmast rotorkroppen belägna ände är krökt på sam- ma sätt som mantelväggen 4 och bildar tillsammans med den omgivande mantelväggen 4 en enhetlig yta när den radiella utloppsporten 31 är stängd. Se det i figur 3 visade lä- get. I detta läge blockeras även den radiella utloppsportens 31 förbindelse med utlopps- kanalen 33 av kolven 32. I sitt andra ändläge har kolven 32 förskjutits så långt från ro- torkroppen, att utloppsporten står i förbindelse med utloppskanalen 30 via förbindelse- kanalen 33.

Varje axel 8, 9 är försedd med en central kanal 24 respektive 25, som är öppen i sin första ände och tillsluten i sin andra ände. Den första änden är den ände, som skjuter in i den första ändväggen 5. Den centrala kanalen 24 respektive 25 sträcker sig fram till den andra ändväggens 6 inre begränsningsyta men kan vara något längre eller kortare.

Från den centrala kanalen 24 respektive 25 i den slutna änden utgår radiella kanaler 26 respektive 27 till utsidan av de andra rotorkropparna 12, 13 mellan lobema. Dessa radi- ella 26, 27 kanaler befinner sig nära den andra ändväggen 6 och är i figur 3 visade med streckade linjer. Dessa radiella kanaler är tydligare åskådliggjorda i figur 4.

Vakuumputnpen 1 är vidare försedd med en första inloppsport 34 för gas under tryck till expanderdelen 3 och, enligt en föredragen utföringsform, med en andra in- loppsport 42, som är lokaliserat nedströms den första inloppsporten 34. Denna andra inloppsport 42 den har förbindelse med expanderdelen 3 där den expanderade volymen mellan gängorna är större än den gängvolym som är i förbindelse med den första in- loppsporten 34. Den andra inloppsporten 42 möjliggör att expanderdelen kan överföra ett högre drivmoment till kompressordelen 2. Vidare finns en expanderutloppsport 35.

Denna utloppsport 35 är ansluten till en eller flera kylkanaler 36 i mantelväggen 4 om- kring kompressordelen 2. Dessa kylkanaler 36 är företrädesvis så anordnade i mantel- väggen att deras kylkapacitet är koncentrerad nära kompressordelens utloppsport 29, där trycket och därmed även temperaturen är högst. Kylkanalema 36 har ett utlopp 43 till lll TfÉlIlllIl"lï'líZlï“ Ill ' Ilï' E ll' lšlllšl 10 15 20 25 30 517 211 5 omgivningen. Som utlopp från expanderdelen 3 tjänstgör även de tidigare beskrivna ra- diella kanalerna 26, 27 till de axiella kanalerna 24, 25 i axlarna 8 respektive 9. Kylkana- len 36 och de radiella kanalema 26, 27 är så utfonnade och dimensionerade, att man uppnår optimal kylning av kompressordelen 2.

Den första axeln 8 skjuter in i en öppning 16 i den första ändväggen 5 och den andra axeln skjuter in i en motsvarande öppning 17 i samma ändvägg 5. Närmast rotor- kroppama 10, 11 finns omkring varje axel två på avstånd från varandra anordnade tät- ningar 18, 19. Från en spalt 20, som uppkommer mellan dessa tätningar 18, 19 utgår en första kanal 21, vars andra ände företrädesvis mynnar i en sluten arbetskamrnare (stängd gänga) av kompressom eller i kompressorns utloppsport 29.

På större avstånd från kompressordelens 2 rotorkroppar finns på varje axel 8, 9 ytterligare två på avstånd från varandra anordnade yttre tätningar 37 , 38 och mellan des- sa yttre tätningar 37, 38 finns ett lager 39, till exempel ett rullager. Ett utrymme 40 är anordnat mellan den yttre 18 av de närmast rotorkroppama belägna tätningarna 18, 19 och den inre 38 av de två yttre tätningama 37 , 38. Detta utrymme 40 står via en andra kanal 41 i förbindelse med omgivande atmosfär.

Axlamas 8, 9 andra ändar skjuter in i öppningar 22, 23 i den andra ändväggen 6, där de är lagrade och omgivna av tätningar på konventionellt sätt. Eftersom prestanda för tätningar-na omkring axeln 8, 9, som skjuter in i öppningar-na 22, 23 där är av mindre betydelse beskrivs dessa ej.

Figur 4 visar ett längdsnitt genom axeln 8 med rotorkropparna 10, 12. Den cen- trala kanalen 24 utgår från den i figuren vänstra änden, i vilken en utloppsporten 45 be- finner sig och sträcker sig genom axeln 8 förbi både rotorkroppen 10 och 12. Den cen- trala kanalen är tillsluten i den i figuren högra änden i höjd med rotorkroppens 12 i figu- ren högra ände. I den högra delen av rotorkroppen 12 är de radiella kanalerna 26 anord- nade, vilka förbinder den centrala kanalen 24 med rotorkroppens 12 arbetskarrnnare i närheten av utloppsporten 35 (figur 3). I den centrala kanalen 24 finns en turbulenshö- j ande insats 44. Denna insats 44 är anordnad i den delen av axeln 8, där kompressorde- len 2 utvecklar den största värmemängden, det vill säga i närheten av den axiella ut- loppsporten 29. Motsvarande insats 44 finns även i den andra axelns 9 radiella kanal 25. insatserna kan exempelvis vara spiralformade element tillverkade av polymermaterial.

Dessa insatser förbättrar värmeöverföring av kall gas till axeln och därmed rotorkrop- parna 10, 12. lll 'flfllïilïí šlIï Ii' i» Iïfillï] iilllïl l n n c o n Oona los 000: 10 15 20 25 30 517 21 1 _? sïï..="="1= 6 . . . . _ . .

Kompressordelens hanrotorkropp 10 och expanderdelens 3 hanrotorkropp 12 liksom kompressordelens honrotorkropp 11 och expanderdelens 3 honrotorkropp 13 kan utföras med samma diameter, profil och gängstigning, så att de kan fräsas eller slipas i samma utrustning. Hanrotorkroppen 10 respektive 12 liksom honrotorkropparna 11, 13 för kompressom respektive för expandem kan de vara framställda av ett arbetsstycke eller vara framställda av skilda arbetsstycken och därefter sammansatta, så att de bildar en enhet på samma sätt som om de vore framställda av ett arbetsstycke.

Vid drift av föreliggande vakuumpump 1 är kompressordelens 2 inloppsport 28 ansluten till det rum som skall evakueras och expanderdelens 3 första inloppsport 34 är ansluten till källan för tryckluft. Den andra inloppsporten 42 är stängd av en icke visad ventil. Vidare är kolven 32 i den radiella utloppsporten 31 av kompressordelen 2 be- lastad med ett sådant tryck, att kolven befinner sig i det i figur 3 visade läget, det vill säga kolven ligger med ringa spel an mot den första rotorkroppen 10, 11.

Den genom expanderdelen 3 tillförda tryckluften expanderas och driver därvid kompressordelens rotorkroppar 10, 11 via de gemensamma axlarna 8 respektive 9. Den expanderade luften är kall och lämnar expanderdelen 3 via utloppsporten 35 och via de radiella kanalema 26 i rotorkropparna 12, 13.

Den del av den expanderade luften som länmar expanderdelen 3 genom utlopps- porten 35 strömmar genom kylkanalen 36, där den kyler kompressordelens 2 mantel- vägg, speciellt i den närmast utloppsporten 29 belägna delen och lärrmar dessa genom utloppet 43. I denna del är trycket i kompressordelen högst och har även den högsta temperaturen.

Den del av den expanderade luften som lärnnar expanderdelen 3 genom de radi- ella kanalerna 26, 27, strömmar genom de axiella kanalema 24 respektive 25, och kyler rotorkroppama, speciellt rotorkropparna 10, 11 i kompressordelen 2. Denna luft lämnar de axiella kanalema 24, 25 genom portar i axlarnas ändar.

Den genom inloppsporten 28 av kompressordelen 2 insugna luften komprimeras och lämnar kompressordelen genom utloppsporten 29.

Vid igångsättning av evakueringen har trycket i rummet det högsta värdet, vilket betyder, att det erforderliga drivmomentet från expandem har då sitt högsta värde. Ett sätt att höja drivmomentet i början av en evakuering är att tillföra tryckluft även till den andra inloppsporten.

I stället för att på angivet sätt höja expanderdelens 3 drivmoment i början av en evakuering, kan man enligt en föredragen utföringsform utnyttja de radiella utloppspor- -\ .lt flš" šššlll Il lšllšllëlišlâš Il een :coon 10 15 20 25 517 211 7 ten 31 med den tryckbelastade kolven 32. Eftersom inloppstrycket i inloppsporten 28 är högst i början av en evakuering och sjunker med tiden, kommer vid ett viss förbestämt tryck i en sluten arbetskammare av kompressordelen 2 kolven 32 att tryckas ut i riktning från rotorkroppen 10, 11. När detta sker, öppnas förbindelsekanalen 33, så att gas, som endast partiellt är komprimerad i kompressordelen 2, kan strömma ut genom utloppska- nalen 30. Genom detta sätt minskas effektbehovet för evakueringen. När nimmet har ett förbestämt lägre tryck kommer kompressionen i den arbetskamrnare, som är i förbindel- se med den radiella utloppsporten 31 ha nått ett värde, vars tryckkraft på kolven 32 un- derstiger kraften, som verkar på kolven 32. Därigenom kommer kolven 32 att förflytta sig till det på ritningen visade läget. Den till kompressordelen inkommande gasen kom- mer då att komprimeras fullt och lämna kompressom genom utloppsporten 29.

Enligt en speciellt töredragen utföringsforrn kan man använda sig av både den radiella utloppsporten 31 med den tryckbelastade kolven 32 i kompressorn och av den andra inloppsporten 42 till expanderdelen 3.

Av samma skäl har man utrymmet 40 mellan den yttre 18 av de närmast rotor- kroppama 10, 11 belägna tätningarna 18, 19 och den inre 38 av de två yttre tätningarna 37, 38. Eftersom detta utrymme 40 står i förbindelse med den omgivande atmosfären har man på bägge sidor om lagret 39 atmosfárstryck. Detta medför att de lagren 39 flanke- rande tätningarna 37, 38 kan vara av enklare och därmed billigare slag.

Eftersom spalten 20 mellan tätnigarna 18, 19 står i förbindelse med kompressoms utloppsport 29 eller med en sluten arbetskamrnare av kompressordelen 2, i vilken sluten arbetskammare trycket är högre, minskar gasläckage i utrymmet 40 träger in i kompres- sordelen 2.

För att höja den kalla luftens kylning av rotorkroppama finns i de axiella kana- lerna 24, 25 turbulenshöj ande insatser 44, till exempel helixformade spiraler. Dessa in- satser 44 består av exempelvis ett polymerrnaterial. Sådana anordningar är kända. ïïšišl lll llllllišiï?

Claims (13)

10 15 20 25 30 51;7 211 Patentkrav

1. Vakuumpump (1) av skruvrotortyp innefattande en kompressordel (2) med en första hanrotorkropp (10) och en med den första hanrotorkroppen (10) samverkande första honrotorkropp (1 1) och med en inloppsport (28) för gas, som skall komprimeras och en utloppsport (29) för komprimerad gas, en expanderdel (3) med en andra hanrotorkropp (12) och en med den andra han- rotorkroppen (12) samverkande andra honrotorkropp (13) och med en inloppsport (34) för gas under tryck från en tryckkälla och en utloppsport (35) för expanderad gas, en första gemensam axel (9) för hanrotorkropparna, en andra gemensam axel (11) för honrotorkropparna, ett rotorkroppama (10, l 1, 12, 13) omgivande rotorhus (4, 5, 6) i form av två varandra skärande cylindrar, en mellanvägg (7) mellan de första rotorkroppama (10, ll) och de andra rotor- kroppama (12, 13), vilken mellanvägg (7) delar vakuumpurnpen (1) i kompressordelen (2) och expanderdelen (3), kännetecknad därav, att axlarna (8, 9) uppvisar kylkanaler (24 respektive 25), som är öppna i kompres- sordelens (2) axelände.

2. Vakuumpump enligt krav 1, kännetecknad därav, att ky1kanalema(24, 25) är förbundna med expanderdelens (3) utloppsport (35).

3. Vakuumpump enligt krav 1, kännetecknad därav, att rotorhusets mantelvägg (4) åtminstone i kompressordelen (2) uppvisar kylkanaler (36), som är förbundna med ex- panderdelens (3) utloppsport (35).

4. Vakuumpump enligt krav 1, kännetecknad därav, att expanderdelen (3) har en andra inloppsport (42), som är lokaliserad nedströms om den första inloppsporten (34).

5. Vakuumpump enligt krav 4, kännetecknad därav, att expanderdelens (3) andra inloppsport (42) är stängbar.

6. Vakuumpump enligt krav 1, kännetecknad därav, att kompressordelen (2) har en andra utloppsport (31), som är lokaliserad uppströms om den första utloppsporten (29).

7. Vakuumpump enligt krav 6, kännetecknad därav, att kompressordelens (2) and- ra utloppsport (31) är stängbar.

8. Vakuumpump enligt krav 1 eller 2, kännetecknad därav, att de axiella kylkana- lema (24, 25) är försedda med turbulenshöjande insatser (44). Ii “lillílš šï'l~ï'"|š' "ål h ÉJEEÉ* 10 15 20 5179 211

9. Vakuumpump enligt krav 8, kännetecknad därav, att insatserna (44) är spiral- formade.

10. Vakuumpump enligt krav 8 eller 9, kännetecknar! därav, att insatsema (44) är tillverkade av polymermaterial.

11. Vakuumpump enligt krav 1, kännetecknad därav, att kompressordelens (2) högtryeksände och expanderdelens (3) högtryckände ligger på var sin sida om mellan- väggen (7).

12. Vakuumpump enligt krav 1, varvid pumpens axlar (8, 9) är anordnade i lager (39), som flankeras av lagertätningar (37, 38), och varvid kompressortätningar (18, 19) omger axlarna (8, 9) mellan den inre (38) av lagertätningarna (3 7, 38) och rotorkroppar- na (10, ll), kännetecknad av ett utrymme (40) mellan den inre (38) av lagertätningama och den yttre av kompressortätriingarna (18, 19), vilket utrymme (40) står i förbindelse med omgivande atmosfär.

13. Vakuumpump enligt krav 1, varvid pumpens axlar (8, 9) är anordnade i lager (39), som flankeras av lagertätningar (3 7, 38), och varvid kompressortätningar (18, 19) omger axlarna (8, 9) mellan den inre (3 8) av lagertätningama (37, 38) och rotorkroppar- na (10, 1 1), kännetecknad av att de två kompressortätningarna (18, 19) på kompressor- delens (2) inloppssida är anordnade på avstånd från varandra och att axeln (8, 9) mellan dessa tätningar (18, 19) står i förbindelse med kompressordelens (2) utloppsport (29) eller med en stängd gänga i kompressordelen (2). fl “iiišlll lll lflíšllï Él" i!