Die Temperatur des von einem Verdichter geförderten Gases erhöht sich gemäß dem Verdichtungsdruckverhältnis. Bei Schraubenverdichtern, die auf möglichst geringes Spiel sowohl zwischen den beiden Rotoren als auch zwischen den Rotoren und dem Gehäuse angewiesen sind, kann die an den Teilen des Verdichters verursachte Wärmedehnung zu Problemen führen. Es ist bekannt (DE-A 195 22 559), die Temperatur des in den Förderzellen der Maschine enthaltenen Gases durch Voreinlaß herabzusetzen. Darunter versteht man den Einlaß kühleren Fördermediums in die Förderzellen von einer Stelle höheren Drucks her. Die jeweils den Kammern zugeführte Voreinlaßmenge ist dabei mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad der Maschine gering. So genügt es beispielsweise beim Betrieb einer Schraubenspindelmaschine als Verdichter (US-A 4,812,110; US-A 5,082,427), lediglich einen Teil des geförderten Gases zum Voreinlaß zurückzuführen. Auch sind beim Betrieb einer Schraubenspindelmaschine als Vakuumpumpe andere Voraussetzungen als im Verdichterbetrieb zu beachten. Erstens ist das Druckverhältnis im Vakuumbetrieb ungleich höher als im Verdichterbetrieb, nämlich typischerweise weit über 100. Zweitens ist - entsprechend diesem Druckverhältnis - die im geförderten Gas erreichte Temperatur wesentlich höher. Schließlich muß darauf geachtet werden, daß das erreichbare Vakuum nicht durch Rückströmung des Voreinlasses beeinträchtigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubenspindelvakuumpumpe und ein Verfahren zum Betrieb derselben zu schaffen, die durch Voreinlaß eine effektive Kühlung bei geringer Beeinträchtigung des Wirkungsgrads und des erreichbaren Vakuums erlauben.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht in den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 3. Demnach wird eine Schraubenspindelvakuumpumpe vorausgesetzt, die längs jedes Rotors mindestens drei hintereinander liegende Förderkammern aufweist. Diese sind jeweils abgeschlossen, wenn man von dem bei trockener Förderung unvermeidlichen Spiel absieht. Bei einer solchen Maschine ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die druckseitig letzte Kammer, kurz bevor sie sich zur Druckseite hin öffnet, durch den Voreinlaß nahezu oder völlig auf den Verdichtungsenddruck gebracht wird, indem ein Voreinlaßstrom kühlen Gases eingelassen wird, der mindestens fünfmal größer ist als der Ansaugmassenstrom. Dabei wird ein Betriebspunkt vorausgesetzt, in welchem das Verhältnis der äußeren zur inneren Verdichtung mindestens fünf ist. Zum einen wird dadurch eine effektive Kühlung in dem bezüglich der Temperaturführung kritischsten Bereich der Rotoren erreicht. Zum anderen wirkt sich diese Kühlung auch auf die vorletzte Kammer aus, weil ein Teil des unter wesentlich höherem Druck stehenden, kühleren Gases in der letzten Kammer zur vorletzten zurückströmt. Schließlich hat diese Anordnung den Vorteil, daß die Geräuschentwicklung beträchtlich vermindert wird, weil dann, wenn die letzte Kammer sich zur Druckseite hin öffnet, der Druckausgleich schon im wesentlichen vollendet ist. Damit ist gemeint, daß wenigstens 75% des Enddrucks durch den Voreinlaß vor dem druckseitigen Öffnen der letzten Kammer erreicht sind, vorzugsweise 90%.
Ein so starker Voreinlaß ist bei bekannten Maschinen, deren Kammerzahl geringer ist, nicht möglich, weil infolge größerer Leckverluste der Druck in der Kammer beim Öffnen des Auslasses schon stärker angewachsen ist und demzufolge eine geringere Druckdifferenz für den Voreinlaß zur Verfügung steht.
Auch spielt in diesem Zusammenhang wieder der erhebliche Unterschied im Druckverhältnis zwischen Verdichtern und Vakuumpumpen eine Rolle; infolge des geringeren Druckverhältnisses herrscht bei Verdichtern in der sich zum Auslaß hin öffnenden Kammer ein verhältnismäßig höherer Druck als bei Vakuumpumpen.
Unter der inneren Verdichtung ist das Verhältnis der Volumina der der Saugseite nächsten Kammer beim Schließen dieser Kammer und der der Druckseite nächsten Kammer beim Öffnen dieser Kammer zu verstehen. Wenn die Querschnittsform der Schraubenspindeln über die Länge konstant ist, ist die innere Verdichtung gleich 1.
Eine weitere Möglichkeit zur Definition des erfindungsgemäßen Voreinlasses ist in Anspruch 2 enthalten. Danach soll der druckseitig letzten Kammer, bevor sie sich zur Druckseite hin öffnet, ein Voreinlaßvolumenstrom zugeführt werden, der größer ist als 75% des theoretischen Saugvermögens dieser Kammer im Zeitpunkt des Voreinlasses geteilt durch das innere Verdichtungsverhältnis. Wenn sich der Voreinlaß über eine Zeitspanne nicht unerheblicher Länge erstreckt, ist der Zeitpunkt zugrunde zu legen, in welchem der Voreinlaß endet. Statt dessen kann auch der mittlere Zeitpunkt zwischen dem Öffnen und dem Schließen des Voreinlasses zugrunde gelegt werden. Der Volumenstrom ist auf den Auslaßdruck und die Temperatur des einzulassenden Gases zu beziehen. Das theoretische Saugvermögen ist das Volumen der Kammer im maßgebenden Zeitpunkt multipliziert mit der Drehzahl.
Die bisher üblichen, kleinen Voreinlaßöffnungen, denen eine beträchtliche Drosselwirkung innewohnt, reichen dafür nicht aus. Nach einer Faustregel soll der Querschnitt der Voreinlaßöffnung in mm2 mindestens so groß sein wie das theoretische Saugvermögen der zugeordneten Kammer in m3/h, vorzugsweise jedoch doppelt, weiter vorzugsweise dreifach so groß. Dies setzt selbstverständlich voraus, daß der Voreinlaßöffnung, also derjenigen Wandöffnung, die das Gas in die Kammer einführt, keine engeren Querschnitte vorgeschaltet sind, die die Wirkung der Öffnungsweite wieder beeinträchtigen. Das theoretische Saugvermögen der Kammer ist in diesem Zusammenhang das Produkt aus dem Volumen dieser Förderkammer, der Zahl der Schraubengänge und der Drehzahl, wobei die maximale Drehzahl zugrunde gelegt wird, mit der im Dauerbetrieb zu rechnen ist.
Diese Definition des theoretischen Saugvermögens enthält im Unterschied zu der oben unter Bezugnahme auf Anspruch 2 gegebenen Definition die Zahl der Schraubengänge als Faktor. Dies erklärt sich daraus, daß hier die Gesamtheit der Einlaßöffnungen angesprochen ist, die im Falle einer mehrgängigen Schraubenspindel gleichzeitig mehreren Kammern zugeordnet sein können, während in Anspruch 2 lediglich eine einzelne Kammer betrachtet wird.
Besonders wirksam ist der erfindungsgemäße, kräftige Voreinlaß in der letzten Stufe dann, wenn die Schraubengangsteigung der Rotoren konstant ist, die Verdichtung also theoretisch isochor stattfindet. Aber auch bei abnehmender Steigung bewährt sich die Erfindung, weil die Steigung in der Regel niemals so stark vermindert wird, daß auch ohne Voreinlaß in der letzten Stufe im normalen Betriebspunkt der Pumpe der Enddruck erreicht wird. Im übrigen schließt die Erfindung nicht aus, daß zusätzlich zu dem kräftigen Voreinlaß in der letzten Stufe auch noch ein geringer Voreinlaß in früheren Stufen vorgesehen ist, obgleich dies in den meisten Anwendungsfällen unnötig oder gar unerwünscht ist.
Da der erfindungsgemäße Voreinlaß erst in der letzten Stufe stattfindet und mindestens drei aufeinanderfolgende Förderkammern vorgesehen sind, ist die Verschlechterung des Saugvermögens der Vakuumpumpe vernachlässigbar, sofern die Drehzahl nicht zu gering ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe ist die Voreinlaßöffnung als Schlitz ausgebildet, bei dem wenigstens die druckseitige Begrenzungskante parallel zu dem zugehörigen Verdrängerschraubengang ausgebildet ist. Dies ergibt den Vorteil, daß der Schlitz bis zum letztmöglichen Zeitpunkt mit größtmöglichem Querschnitt offen ist. Die Schlitzlänge soll zweckmäßigerweise größer als 1/10 des Rotordurchmessers sein, vorzugsweise auch größer als 1/5. Sie liegt zweckmäßigerweise in der Größenordnung eines Drittels des Rotordurchmessers. Die Breite der Voreinlaßöffnung in Axialrichtung liegt zweckmäßigerweise zwischen der halben und der ganzen Kopfbreite (in derselben Richtung gemessen) des Verdrängerschraubengangs. Sie kann die Kopfbreite sogar ein wenig übersteigen, solange die Voreinlaßfüllung der druckseitig letzten Kammer nicht durch die bereits eintretende Verbindung der Voreinlaßöffnung mit der folgenden Kammer gefährdet wird.
Auch die saugseitige Begrenzungskante der Voreinlaßöffnung kann parallel zum zugehörigen Verdrängerschraubengang verlaufen. Jedoch kann es zweckmäßiger sein, die saugseitige Begrenzungskante zumindest teilweise geneigt zum zugehörigen Verdrängerschraubengang auszubilden, um dadurch ein schlagartiges Öffnen der Voreinlaßöffnung, das mit unerwünschter Schallerzeugung verbunden sein könnte, zugunsten eines allmählichen Öffnens zu vermeiden. Im allgemeinen wird angestrebt, daß die Voreinlaßöffnung geschlossen ist, bevor die Kammer sich druckseitig öffnet. Mit anderen Worten ist die Voreinlaßöffnung bei derjenigen Rotorstellung, in der sich die Kammer soeben druckseitig öffnet, von dem zugehörigen Schraubengang gerade abgedeckt. Dadurch wird beispielsweise vermieden, daß ein beim Öffnen von der Druckseite her in die Kammer eindringender Druckstoß bis zur Voreinlaßöffnung vordringt und erhitztes Gas in diese zurücktreibt, das die Kühlwirkung beim nächsten Voreinlaßvorgang vermindern würde. Auch schalltechnische Unannehmlichkeiten können dadurch vermieden werden. In vielen Fällen ist es aber nicht erforderlich, daß die Voreinlaßöffnung beim druckseitigen Öffnen der Kammer bereits geschlossen ist, sofern dafür gesorgt ist, daß die Voreinlaßöffnung in derjenigen Zeitspanne geschlossen wird, die der von der druckseitigen Öffnung der Kammer mit Schallgeschwindigkeit ausgehende Druckimpuls bis zum Erreichen der Voreinlaßöffnung benötigen würde. Mit anderen Worten soll der freie, axiale Überstand der Voreinlaßöffnung über die Abdeckkante des zugehörigen Schraubengangs kleiner sein als ihr Abstand von dem die druckseitige Öffnung der Kammer bildenden Ende des Schraubengangs, multipliziert mit der Umdrehungszahl und dividiert durch die Schallgeschwindigkeit.
Es reicht im allgemeinen, wenn diese Bedingungen, die zur Vermeidung eines unerwünschten Zusammenwirkens zwischen Voreinlaßöffnung und druckseitiger Kammeröffnung vorgesehen sind, bei hoher Betriebsgeschwindigkeit (beispielsweise oberhalb 6.000 min-1) vorliegen, weil bei niedrigeren Geschwindigkeiten diese Nachteile weniger ins Gewicht fallen.
Bei den obigen Ausführungen wurde vorausgesetzt, daß der Voreinlaß durch das Zusammenwirken der Voreinlaßöffnung mit der Kopffläche eines Schraubengangs gesteuert wird. Obwohl dies die bevorzugte Ausführung ist, soll nicht ausgeschlossen sein, daß der Voreinlaßöffnung Ventile vorgeschaltet sind, die für die zeitliche Steuerung des Voreinlasses verantwortlich oder, neben der Schraubengang-Kopffläche, mitverantwortlich sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Begriff Voreinlaßöffnung oder Schlitz nicht verlangt, daß die Öffnung ungeteilt ist. Aus herstellungswirtschaftlichen Gründen kann man eine solche Öffnung beispielsweise aus einer Vielzahl einzelner Bohrungen zusammensetzen, die durch Stege voneinander getrennt sind. Dies ergibt den Vorteil, daß der Voreinlaß durch entsprechende Streckung der Voreinlaßöffnung über einen größeren Teil der Kammerlänge stattfinden kann. Bevorzugt wird eine Ausführung, bei welcher sich die aus mehreren getrennten Teilöffnungen zusammensetzende Voreinlaßöffnung über mindestens die Hälfte der Kammerlänge erstreckt. Sie kann bis zu 270° betragen.