Die Erfindung betrifft einen Schraubenrotor für eine Schraubenvakuumpumpe.
Schraubenvakuumpumpen weisen in einem Gehäuse einen Schöpfraum auf, in dem zwei Schraubenrotoren angeordnet sind. Jeder Schraubenrotor weist mindestens ein Verdrängungselement mit schraubenlinienförmiger Ausnehmung auf. Hierdurch ist eine Vielzahl von Windungen ausgebildet. Bei Schraubvakuumpumpen besteht stets das Ziel, ein möglichst hohes inneres Volumenverhältnis zu erzielen. Das innere Volumenverhältnis ist das Verhältnis des Volumens am Einlass der Vakuumpumpe zum Volumen am Auslass der Vakuumpumpe. Schraubvakuumpumpen der ersten Generation wie beispielsweise der Pumpen LEYBOLD Screwline oder BUSCH Cobra weisen ein inneres Volumenverhältnis vom ca. 3 bis 4 auf. Bei derzeit auf dem Markt befindlichen Vakuumpumpen wie beispielsweise den Schraubenvakuumpumpen LEYBOLD DRYVAC oder Edwards GXS beträgt das Volumenverhältnis 5 bis 7.
Zur Erzielung niedriger Drücke am Pumpeneinlass ist ein hoher Energieeinsatz erforderlich bzw. der Stromverbrauch entsprechender Vakuumpumpen ist sehr hoch.
Eine Schraubenvakuumpumpe mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Merkmalen ist aus
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schraubenvakuumpumpe mit Schraubenrotoren zu schaffen, mit der der Energieverbrauch reduziert werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Schraubenvakuumpumpe gemäß Anspruch 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Reduzierung des Energieverbrauchs, durch Erhöhung des inneren Volumenverhältnisses möglich ist.
Für ein hohes inneres Volumenverhältnis müssen die Auslassstufen der Pumpe ein kleines Fördervolumen aufweisen. Kleine Auslassstufen weisen allerdings ein ungünstiges Verhältnis von Transportstrom zur Rückströmung auf, d.h. sie sind relativ undicht. Damit lässt sich mit jeder einzelnen Stufe nur ein relativ geringer Druckaufbau erzeugen. Um dennoch den Großteil der Verdichtung in den kleinen Auslassstufen realisieren zu können, wird eine hohe Anzahl an Auslasswindungen erforderlich.
Grundsätzlich sind zwei Bauformen von Schraubenrotoren bekannt. Hierbei handelt es sich um Schraubenrotoren mit einer zylindrischen oder einer konischen Außenabmessung.
Bei zylindrischen Rotoren muss bei hohen inneren Volumenverhältnissen die Zahnlückenweite am Auslass klein gewählt werden. Dadurch wird die Zahnhöhe im Vergleich zur Zahnlückenweite relativ groß, was in der Fertigung nur mit hohem Aufwand und hohen Kosten realisiert werden kann. Allerdings ist es bei diesem Rotorkonzept problemlos möglich, eine hohe Anzahl an kleinen Auslassstufen in den Rotor zu integrieren (sofern das Verhältnis Zahnhöhe/Zahnlückenweite eine wirtschaftliche Fertigung zulässt). Damit wird das geometrisch eingebaute Volumenverhältnis auch thermodynamisch wirksam.
Bei konischen Rotoren hingegen nimmt das Kammervolumen durch die sich verjüngende Zahnhöhe in Richtung Auslass immer weiter ab, so dass geringe Auslassvolumina mit einem fertigungstechnisch günstigen Verhältnis von Zahnhöhe zu Zahnlückenweite herstellbar sind. Allerdings ist es hierbei schwierig, mehrere Stufen mit dem geringen Fördervolumen herzustellen, da durch den Konus die Zahnhöhe immer weiter abnimmt. Hiermit sind zwar hohe geometrische Volumenverhältnisse denkbar, die aber kaum die gewünschte Wirkung zeigen, da infolge der Spaltrückströmungen die Verdichtung in den größeren Stufen stattfindet.
Ferner ist es bekannt, gestufte Rotoren mit zwei zylindrischen Verdrängungselementen mit unterschiedlichem Durchmesser auszugestalten. Ein großer Nachteil dieser gestuften Rotoren besteht jedoch in dem unstetigen Übergang, der in der Fertigung äußerst schwierig ist. Gestufte Rotoren sind im Markt daher nicht üblich.
Der erfindungsgemäße Schraubenrotor weist eine Rotorwelle auf, die mit mindestens zwei Verdrängungselementen verbunden ist, wobei jedes Verdrängungselement jeweils zumindest eine schraubenlinienförmige Ausnehmung aufweist. Erfindungsgemäß ist ein saugseitiges, das heißt in Richtung des Pumpeneinlasses insbesondere am Pumpeneinlass angeordnetes Verdrängungselement sich in Förderrichtung verjüngend ausgebildet. Das Verdrängungselement ist derart angeordnet, dass es sich in Förderrichtung, das heißt in Richtung des Pumpenauslasses verjüngt. Besonders bevorzugt ist es, dass das saugseitige Verdrängungselement eine Außenkontur aufweist, die in Förderrichtung stetig abnehmend ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist eine konische, sich in Förderrichtung verjüngende Ausgestaltung des saugseitigen Verdrängungselements. Vorzugsweise liegt der Konuswinkel hierbei in einem Bereich von 2° bis 8°.
Ferner ist ein druckseitiges, das heißt in Richtung des Pumpenauslasses insbesondere am Pumpenauslass vorgesehenes Verdrängungselement im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Das druckseitige Verdrängungselement kann auch leicht konisch oder in Förderrichtung leicht stetig abnehmend ausgebildet sein. Das im wesentlichen zylindrisch ausgebildete druckseitige Verdrängungselement weist insbesondere ein Durchmesserverhältnis des saugseitigen, in Richtung des Pumpeneinlass weisenden Durchmessers zum druckseitigen, in Richtung des Pumpenauslass weisenden Durchmessers von 1,1 bis 1,0 auf.
Gegebenenfalls können noch weitere zylindrische und/oder konische Verdrängungselemente auf der Rotorwelle angeordnet sein. Erfindungsgemäß wesentlich ist die Kombination eines saugseitig sich verjüngenden, insbesondere konischen Verdrängungselements mit einem druckseitig, im Wesentlichen zylindrischen Verdrängungselement. Hierdurch ist es möglich, die Vorteile beider Schraubenrotorbauformen zu vereinen. Durch das vorzugsweise konisch ausgebildete saugseitige Verdrängungselement wird die Zahnhöhe reduziert, sodass im sich in Strömungs- beziehungsweise Förderrichtung anschließenden, im wesentlichen zylindrischen Verdrängungselement eine große Anzahl an Auslasswindungen mit kleinen Fördervolumina bei einem geringen Verhältnis von Zahnhöhe zu Zahnweite realisiert werden kann. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, innere Volumenverhältnisse größer 6, insbesondere größer 8 und besonders bevorzugt größer 10 zu realisieren.
Wenngleich auch mehr als zwei Verdrängungselemente vorgesehen sein können, sind in besonders bevorzugter Ausführungsform ein konisches saugseitig angeordnetes Verdrängungselement und ein zylindrisches druckseitig angeordnetes Verdrängungselement vorgesehen. Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand dieser bevorzugten Ausführungsform beschrieben, wobei jeweils weitere Verdrängungselemente vorgesehen sein können.
Bevorzugt ist es, dass die benachbarten Verdrängungselemente an den aufeinander zu gerichteten Stirnseiten insbesondere aneinander anliegen bzw. sich berühren und im Wesentlichen denselben Durchmesser aufweisen. Hierdurch ist ein im Wesentlichen stufenfreier Übergang realisiert. Beim Vorsehen von zwei Verdrängungselementen verringert sich somit ausgehend von dem Pumpeneinlass der Durchmesser des konischen Verdrängungselements bis auf einen Durchmesser, der dem Durchmesser des zylindrischen Verdrängungselements entspricht.
Bevorzugt ist es ferner, dass der Durchmesser des zylindrischen Verdrängungselements um 5 - 35 %, vorzugsweise 10 - 25 % kleiner ist, als der saugseitige Durchmesser des konischen Verdrängungselements, das heißt insbesondere der am Einlass der Pumpe vorgesehene Durchmesser des konischen Verdrängungselements.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Längen und Durchmesser des konischen sowie des zylindrischen Verdrängungselements derart gewählt, dass ein Großteil der Verdichtung bei niedrigem Ansaugdruck durch das zylindrische Verdrängungselement erfolgt. Insbesondere erfolgt mehr als 70 Prozent der Verdichtungsleistung durch das zylindrische Verdrängungselement.
Insofern ist es des Weiteren bevorzugt, dass das konische Verdrängungselement ein inneres Volumenverhältnis von mehr als 4, insbesondere mehr als 8 aufweist.
Das zylindrische Verdrängungselement weist in bevorzugter Ausführungsform ein inneres Volumenverhältnis von mehr als 1, insbesondere mehr als 3 auf. Die innere Verdichtung erfolgt vorzugsweise durch eine Verringerung der Steigung.
In dem Übergangsbereich zwischen dem insbesondere konischen Verdrängungselement und dem im Wesentlichen zylindrischen Verdrängungselement muss kein stetiger Übergang der Steigung der Windungen vorgesehen sein. Es ist auch ein Sprung in der Steigung der Windungen möglich, sodass hierdurch eine innere Verdichtung erzeugt wird. Die innere Verdichtung kann somit bereits im Übergang und/oder im zylindrischen Teil erzeugt werden.
Zur weiteren Verbesserung ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Verhältnis der Zahnhöhe zur Zahnbreite im Auslassbereich der Vakuumpumpe kleiner als 3 ist. Es ist eine günstige Fertigung möglich. Insbesondere liegt das Verhältnis im Bereich von 1,8 - 2,2. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Länge des im Wesentlichen zylindrischen Verdrängungselements 25 - 50 % der gesamten Profillänge des Schraubenrotors.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis des Außendurchmessers des Verdrängungselements am Pumpenauslass zum Außendurchmesser des Verdrängungselements am Pumpeneinlass weniger als 0,9, insbesondere weniger als 0,85.
Desweiteren ist es besonders bevorzugt, dass der Durchmesser des sich verjüngenden Verdrängungselements im Bereich des Pumpeneinlasses 80 - 300 mm beträgt. Im Übergangsbereich zwischen dem sich verjüngenden Verdrängungselement und dem im Wesentlichen zylindrischen Verdrängungselement beträgt der Durchmesser vorzugsweise 65 - 180 mm. Entsprechend ist in bevorzugter Ausführungsform der Außendurchmesser des im Wesentlichen zylindrischen Verdrängungselements ebenfalls 65 - 180 mm, wobei bei einem sich gegebenenfalls geringfügig verjüngenden zylindrischen Verdrängungselement dieser Durchmesser auch etwas kleiner als der Durchmesser im Übergangsbereich sein kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Windungsanzahl des zylindrischen Verdrängungselements mindestens 6 bzw. vorzugsweise mindestens 10 und besonders bevorzugt mindestens 12. Durch eine hohe Anzahl an Windungen des zylindrischen Verdrängungselements kann durch dieses ein Großteil der Verdichtung erfolgen.
Das insbesondere konische saugseitige Verdrängungselement weist in bevorzugter Ausführungsform 3 - 6 Windungen auf.
Die einzelnen Verdrängungselemente sind vorzugsweise als gesonderte Bauteile ausgebildet und beispielsweise durch Aufpressen mit der Rotorwelle verbunden. Es ist jedoch auch möglich, dass einzelne oder alle Verdrängungselemente einstückig mit der Rotorwelle ausgebildet sind.
Die Rotorwelle weist ferner vorzugsweise an beiden Enden zylindrische Ansätze auf, die als Lageraufnahmen dienen. Es ist jedoch auch möglich, den Schraubenrotor fliegend, d.h. einseitig zu lagern.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Schraubenrotor aus den bekannten Materialien wie Stahl, Gusseisen oder Aluminium hergestellt sein, wobei die Vorteile der Erfindung insbesondere bei Schraubenrotoren aus Stahl oder Gusseisen realisierbar sind.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein weiteres Verdrängungselement saugseitig vorgesehen. Das weitere Verdrängungselement ist somit dem sich in Förderrichtung verjüngenden insbesondere konisch ausgebildeten Verdrängungselement vorgelagert. Bei dem weiteren Verdrängungselement handelt es sich um ein vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch ausgebildetes Verdrängungselement. Bevorzugt ist es hierbei, dass die Steigung der Windungen dieses weiteren Verdrängungselements in Förderrichtung abnimmt.
Die Erfindung betrifft eine Schraubenvakuumpumpe mit zwei in einem durch ein Gehäuse ausgebildeten Schöpfraum angeordneten, erfindungsgemäß ausgebildeten Schraubenrotoren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.
Die Fig. zeigt in schematischer Seitenansicht eine Ausführungsform eines Schraubenrotors gemäß der Erfindung.
Der dargestellte Schraubenrotor weist eine Rotorwelle 10 auf, die zwei Verdrängungselemente 12, 14 trägt. Die beiden zylindrischen Enden 16, 18 der Rotorwelle dienen zur Aufnahme von Lagern zur Lagerung des Schraubenrotors in einem Pumpengehäuse. Ebenfalls ist es möglich, die Rotorwelle fliegend, d.h. einseitig zu lagern.
Das in der Fig. rechte Verdrängungselement 12 ist konisch ausgebildet und verjüngt sich ausgehend von einem in der Fig. auf der rechen Seite angeordneten nicht dargestellten Pumpeneinlass 20 in Förderrichtung 22 in Richtung eines in der Fig. auf der linken Seite befindlichen nicht dargestellten Pumpenauslasses 24. Eine schraubenlinienförmige Ausnehmung 26 des konischen Verdrängungselements 12 ist derart ausgebildet, dass sich das Volumen verringert. Dies ist einerseits aufgrund der konischen Außenform des Verdrängungselements 12 realisiert und andererseits aufgrund des sich in Förderrichtung erweiternden inneren Bereichs 28 des Verdrängungselements 12 realisiert. Einzelne Kammervolumen, die durch die beiden miteinander kämmenden Schraubenrotoren ausgebildet sind, verringern somit ihre Volumen in Förderrichtung 22.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem nur zwei Verdrängungselemente 12, 14 vorgesehen sind, liegt eine Stirnseite 30 des Verdrängungselements 12, die in Richtung des Pumpenauslasses 24 bzw. in Richtung der Druckseite der Pumpe weist, an einer Stirnseite 32 des zylindrischen Verdrängungselements 14 an. Die Stirnseite 32 weist in Richtung des Pumpeneinlasses bzw. in saugseitige Richtung der Vakuumpumpe. Die Durchmesser der beiden Verdrängungselemente 12, 14 weisen im Bereich der Stirnseiten 30, 32 im Wesentlichen denselben Durchmesser auf.
Das zylindrische Verdrängungselement 14 weist eine ebenfalls schraubenlinienförmige Ausnehmung 34 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist diese eine konstante Steigung auf, wobei zur weiteren Kompression in Förderrichtung 22 auch eine Verringerung der Steigung möglich ist. Durch die Ausnehmung 34 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 8 Windungen ausgebildet.
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