WO2003042541A1 - Gekühlte schraubenvakuumpumpe - Google Patents

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Hartmut Kriehn
Klaus Rofall
Ralf Steffens
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Leybold Vakuum Gmbh
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    • F04C2240/603—Shafts with internal channels for fluid distribution, e.g. hollow shaft

Definitions

  • the invention relates to a screw vacuum pump with a pump housing, with rotors accommodated in this housing, with a liquid cooling for the rotors and with a drive motor.
  • the present invention has for its object to improve the cooling of a screw vacuum pump with the features mentioned. According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the claims.
  • a forced air flow which is generated, for example, by a fan coupled to the drive motor
  • the invention makes it possible to implement a cooling concept for a screw vacuum pump, in which the entire machine is air-cooled, although there is also liquid cooling for the rotors.
  • the heat generated is absorbed by two different heat transfer media (liquid for the internal rotor cooling, external cooling air flow), but ultimately it is dissipated from the cooling air flow. This also applies to the dissipation of secondary heat flows, generated by engine losses, gearbox and bearing losses etc.
  • the screw vacuum pump to be cooled is designated by 1, its pump chamber housing by 2, its rotors by 3, 4, its inlet by 5 and its gearbox / engine compartment housing by 6, which connects to the pump chamber housing 2 by rotors 3, 4 , An outlet on the pressure side is not shown.
  • the gear chamber 7 In the housing 6 there are the gear chamber 7, the motor compartment 8 with the drive motor 9 and a further compartment 10, which is part of the coolant circuit for the rotors 3, 4.
  • the rotors 3, 4 are equipped with shafts 11, 12 which penetrate the gear chamber 7 and the engine compartment 8. About bearings in the partitions between the scooping area and 'gearbox 7 (partition 13) as well as engine compartment 8 and coolant space 10 (partition 14), the rotors 3, 4 are overhung.
  • the partition between the gear compartment 7 and the engine compartment 8 is designated 15.
  • the gear pair 7, which causes the synchronous rotation of the rotors 3, 4, is the gear pair 16, 17.
  • the rotor shaft 11 is at the same time the drive shaft of the motor 9.
  • the motor 9 can also have a drive shaft different from the shafts 11, 12. In such a solution, its drive shaft ends in the gear chamber 7 and is equipped there with a gearwheel which engages with one of the synchronization gearwheels 16, 17 (or with another gearwheel of the shaft 12, not shown).
  • the shaft 11 passes through the space 10, is guided out of the housing 6 of the pump 1 and carries the wheel 20 of a fan or fan 21 at its free end.
  • a housing 22 comprising the pump 1 is used to guide the air movement generated by the fan wheel 20, that is open in the area of both end faces (openings 23, 24).
  • the fan 21 is operated such that the fan / motor-side opening 24 forms the air inlet opening.
  • a heat exchanger 25 through which the cooling liquid of the rotor internal cooling flows.
  • the heat exchanger 25 is expediently arranged in front of the fan 21, so that it simultaneously forms a contactor for the fan wheel 20.
  • the advantage of this arrangement is that it cools the pump chamber housing 2 of the pump 1 Air flow is preheated. It is thereby achieved that thermal expansions of the pumping chamber housing 2 are permitted to the extent that the rotors 3, 4, which assume relatively high temperatures during the operation of the pump 1, do not touch the housing 2.
  • the housing 2 and the rotors 3, 4 are preferably made of aluminum to improve the heat conduction. Furthermore, the housing 2 can have ribs to improve the thermal contact.
  • the gap between the rotors 3, 4 and the housing 2 is set by the size of the heat exchanger 25 and also the degree of ribbing of the pump chamber housing 2.
  • the coolant circuit for cooling the rotors 4, 5 is only indicated schematically.
  • German patent applications 197 45 616, 1 . 99 63 171.9 and 199 63 172.7 cooling systems of this type are described in detail.
  • the shafts 11 and 12 serve to transport the coolant (for example oil) to and from the rotors 3, 4.
  • the coolant leaving the rotors 3, 4 collects in the engine compartment 8. From there it is passed over the Line 26 supplied to the heat exchanger 25.
  • the air flow generated by the fan 21 absorbs the heat absorbed by the cooling liquid in the rotors 3, 4.
  • the liquid leaving the heat exchanger 25 is supplied to the space 10 via the line 26.
  • the features according to the invention make it possible to further increase the power density of a screw pump.
  • the pump can be made smaller and operated with higher surface temperatures.
  • the outer air duct housing 22 also functions as a touch guard.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenvakuumpumpe (1) mit Pumpengehäuse (2, 6), mit in diesem Gehäuse untergebrachten Rotoren (3, 4), mit einer Flüssigkeitskühlung für die Rotoren sowie mit einem Antriebsmotor (9); um die Kühlung der Pumpe zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass zusätzlich eine äussere von einer erzwungenen Luftströmung bewirkte Kühlung für das Pumpengehäuse (2, 6) vorgesehen ist.

Description

Gekühlte Schraubenvakuumpumpe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenvakuumpumpe mit einem Pumpengehäuse, mit in diesem Gehäuse untergebrachten Rotoren, mit einer Flüssigkeitskühlung für die Rotoren sowie mit einem Antriebsmotor.
Aus der DE-A-198 20 523 ist eine Schraubenvakuumpumpe mit diesen Merkmalen bekannt. Die genannte Schrift offenbart darüber hinaus die vielfachen Probleme, die mit der Kühlung von Schraubenvakuumpumpen verbunden sind, wenn diese mit hohen Leistungsdichten - kompakt und mit hohen Drehzahlen - gebaut und betrieben werden sollen.
Der .vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung einer Schraubenvakuumpumpe mit den eingangs genannten Merkmalen zu verbessern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäße zusätzliche Kühlung des Pumpengehäuses von außen, und zwar mit einer erzwungenen Luftströmung, die beispielsweise von einem mit dem Antriebsmotor gekoppelten Lüfter erzeugt wird, entlastet die in der Pumpe befindliche Flüssigkeitskühlung der Rotoren erheblich. Zusätzlich ist es möglich, mit Hilfe der erzwungenen Luftströmung auch einen Wärmetauscher zu kühlen, der von der Kühlflüssigkeit der Rotorkühlung durchströmt ist.
Die Erfindung ermöglicht es, ein Kühlkonzept für eine Schraubenvakuumpumpe zu realisieren, bei dem die gesamte Maschine luftgekühlt ist, obwohl zusätzlich eine Flüssigkeitskühlung für die Rotoren vorhanden ist. Die entstehende Wärme wird zwar von zwei unterschiedlichen Wärmeträgern (Flüssigkeit für die innere Rotorkühlung, äußerer Kühlluftstrom) aufgenommen, letztlich aber insgesamt vom Kühlluftstrom abgeführt. Dieses gilt auch für die Abführung von Nebenwärmeströmen, erzeugt von Motorverlusten, Getriebe- und Lagerverlusten etc..
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden.
In der Figur sind die zu kühlende Schraubenvakuumpumpe mit 1, ihr Schöpfraumgehäuse mit 2, ihre Rotoren mit 3, 4, ihr Einlass mit 5 und ihr sich an das Schöpfraumgehäuse 2 mit den Rotoren 3, 4 anschließendes Getriebe- /Motorraum-Gehäuse mit 6 bezeichnet. Ein druckseitig gelegener Auslass ist nicht dargestellt. Im Gehäuse 6 befinden sich der Getrieberaum 7, der Motorraum 8 mit dem Antriebsmotor 9 und ein weiterer Raum 10, der Bestandteil des Kühlflüssigkeitskreislaufs für die Rotoren 3, 4 ist.
Die Rotoren 3, 4 sind mit Wellen 11, 12 ausgerüstet, die den Getrieberaum 7 und den Motorraum 8 durchsetzen. Über Lagerungen in den Trennwänden zwischen Schöpfraum und' Getrieberaum 7 (Trennwand 13) sowie Motorraum 8 und Kühlflüssigkeitsraum 10 (Trennwand 14) sind die Rotoren 3, 4 fliegend gelagert. Die Trennwand zwischen Getrieberaum 7 und Motorraum 8 ist mit 15 bezeichnet. Im Getrieberaum 7 befindet sich das die synchrone Drehung der Rotoren 3, 4 bewirkende Zahnradpaar 16, 17. Die Rotorwelle 11 ist gleichzeitig die Antriebswelle des Motors 9. Der Motor 9 kann auch eine von den Wellen 11, 12 verschiedene Antriebswelle haben. Bei einer solchen Lösung endet seine Antriebswelle im Getrieberaum 7 und ist dort mit einem Zahnrad ausgerüstet, das mit einem der SynchronisationsZahnräder 16, 17 (oder einem weiteren, nicht dargestellten Zahnrad der Welle 12) in Eingriff steht.
Die Welle 11 durchsetzt den Raum 10, ist aus dem Gehäuse 6 der Pumpe 1 heraus geführt und trägt an ihrem freien Ende das Rad 20 eines Ventilators oder Lüfters 21. Der Führung der vom Lüfterrad 20 erzeugten Luftbewegung dient ein die Pumpe 1 umfassendes Gehäuse 22, das im Bereich beider Stirnseiten offen ist (Öffnungen 23, 24) .
Im Sinne der Erfindung wird der Lüfter 21 so betrieben, dass die lüfter-/motorseitige Öffnung 24 die Lufteintrittsöffnung bildet. Dieser Öffnung zugeordnet ist ein Wärmetauscher 25, der von der Kühlflüssigkeit der Rotorinnenkühlung durchströmt ist. Zweckmäßig ist der Wärmetauscher 25 dem Lüfter 21 vorgelagert, so dass er gleichzeitig einen Berührungsschütz für das Lüfterrad 20 bildet. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass der das Schöpfraumgehäuse 2 der Pumpe 1 kühlende Luftstrom vorgewärmt ist. Dadurch wird erreicht, dass Wärmedehnungen des Schöpfraumgehäuses 2 in dem Umfange zugelassen werden, dass die während des Betriebs der Pumpe 1 relativ hohe Temperaturen annehmenden Rotoren 3, 4 das Gehäuse 2 nicht berühren. Vorzugsweise bestehen das Gehäuse 2 und die Rotoren 3 , 4 zur Verbesserung der Wärmeleitung aus Aluminium. Weiterhin kann das Gehäuse 2 zur Verbesserung des Wärmekontaktes Rippen aufweisen. Durch die Größe des Wärmetauschers 25 und auch des Verrippungsgrades des Schöpfraumgehäuses 2 wird der Spalt zwischen den Rotoren 3 , 4 und dem Gehäuse 2 eingestellt .
Der Kühlflüssigkeitskreislauf für die Kühlung der Rotoren 4, 5 ist nur schematisch angedeutet. In den deutschen Patentanmeldungen 197 45 616, 1.99 63 171.9 und 199 63 172.7 sind Kühlsysteme dieser Art ausführlich beschrieben. Die Wellen 11 und 12 dienen dem Transport des Kühlmittels (z. B. Öl) zu und von den Rotoren 3, 4. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sammelt sich das die Rotoren 3 , 4 verlassende Kühlmittel im Motorraum 8. Von dort aus wird es über die Leitung 26 dem Wärmetauscher 25 zugeführt. Der vom Lüfter 21 erzeugte Luftstrom nimmt die von der Kühlflüssigkeit in den Rotoren 3, 4 aufgenommene Wärme auf. Die den Wärmetauscher 25 verlassende Flüssigkeit wird über die Leitung 26 dem Raum 10 zugeführt. In im einzelnen nicht dargestellter Weise gelangt sie von dort durch in den Wellen 11, 12 befindliche Bohrungen zu den Rotoren 3, 4, durchströmt dort Kühlkanäle und gelangt durch die Wellen 11, 12 zurück in den Motorraum 8. Als' zweckmäßig hat es sich erwiesen, das Kühlsystem so einzustellen, dass etwa die Hälfte der von der Pumpe erzeugten Wärme zunächst von der Kühlflüssigkeit aufgenommen und danach über den Wärmetauscher 25 abgeführt wird und dass die andere Hälfte unmittelbar vom Kühlluftström abgeführt wird.
Insgesamt erlauben es die Merkmale nach der Erfindung, die Leistungsdichte einer Schraubenpumpe weiter zu erhöhen. Die Pumpe kann kleiner ausgebildet und mit höheren Oberflächentemperaturen betrieben werden. Das äußere der Luftführung dienende Gehäuse 22 hat außerdem die Funktion eines Berührungsschutzes .

Claims

PATENTANSPRUCHΞ
1. Schraubenvakuumpumpe (1) mit Pumpengehäuse (2, 6), mit in diesem Gehäuse untergebrachten Rotoren (3, 4) , mit einer Flüssigkeitskühlung für die Rotoren sowie mit einem Antriebsmotor (9), dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine äußere von einer erzwungenen Luftströmung bewirkte Kühlung für das Pumpengehäuse (2, 6) vorgesehen ist.
2. Pumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung der erzwungenen Luftströmung ein Lüfter (21) vorgesehen ist, der mit dem Antriebsmotor (9) gekoppelt ist.
3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass Lüfter (21), Antriebsmotor (9) und Pumpengehäuse (2) in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
4. ■ Pumpe nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Pumpengehäuse (2) mit äußeren Rippen ausgerüstet ist.
5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und die Rotoren (3, 4) aus Aluminium bestehen.
6. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußeres Gehäuse (22) für die Führung der Kühlluft vorgesehen ist.
7. Pumpe nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der Lüfter .(21) auf der Lufteintrittsseite (24) befindet.
8. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite des Lufteintritts (24) ein der Kühlflüssigkeit der Rotorkühlung durchströmter Wärmetauscher (25) angeordnet ist.
9. Pumpe nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wärmetauscher (25) in Kühlluftströ- mungsrichtung vor dem Lüfter (21) befindet.
10. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem so ausgelegt ist, dass die vom flüssigen Kühlmittel abgeführte Wärmemenge und die direkt vom Luftstrom abgeführte Wärmemenge etwa gleich groß sind.
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