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EP0472751B1 - Rotor for a lobe rotor type vacuum pump - Google Patents

Rotor for a lobe rotor type vacuum pump Download PDF

Info

Publication number
EP0472751B1
EP0472751B1 EP90116357A EP90116357A EP0472751B1 EP 0472751 B1 EP0472751 B1 EP 0472751B1 EP 90116357 A EP90116357 A EP 90116357A EP 90116357 A EP90116357 A EP 90116357A EP 0472751 B1 EP0472751 B1 EP 0472751B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
rotors
profile
contour
vacuum pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP90116357A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0472751A1 (en
Inventor
Ralf Steffens
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Original Assignee
Leybold AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leybold AG filed Critical Leybold AG
Priority to DE59005764T priority Critical patent/DE59005764D1/en
Priority to EP90116357A priority patent/EP0472751B1/en
Priority to JP3211810A priority patent/JPH04246284A/en
Priority to US07/750,322 priority patent/US5152684A/en
Publication of EP0472751A1 publication Critical patent/EP0472751A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0472751B1 publication Critical patent/EP0472751B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/12Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C18/126Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with radially from the rotor body extending elements, not necessarily co-operating with corresponding recesses in the other rotor, e.g. lobes, Roots type

Definitions

  • the invention relates to a rotor for a Roots vacuum pump with two identical rotors, each of which has an essentially eight-shaped profile contour consisting of four base profile sections and four head profile sections.
  • Roots vacuum pumps with rotors of this type have been widely used.
  • the rotary movement of the rotors which are synchronized by a gearbox, follows at the same speed and takes place without contact with one another and towards the housing wall.
  • the rotors are not subject to mechanical wear and can be operated at high speeds.
  • the gap width between the housing wall and the rotors and between the rotors themselves is a few tenths of a millimeter.
  • 0 for example, the slope of the tangent t o at the point of contact with the profile contour (FIG. 3) is 0.
  • FIG. 3 The typical line of engagement for the rotor profile contour according to FIGS. 1a, 2 to 4 (involute) is shown in FIG. 3 and designated E1. It has an eight-like shape with a center labeled C.
  • the line of engagement E 1 is shown in a stationary or housing-fixed coordinate system x f , y f , the 0 point of which lies in the axis 2 of a rotor.
  • the coordinate system x f , y f is shown in FIG. 3.
  • a characteristic value for the properties of a Roots vacuum pump of the type concerned here is the area utilization factor ⁇ , defined as the ratio of four times the rotor head area F to the cross-sectional area Q of the scooping area 13.
  • the volume V delivered with each half rotation of the rotors is equal to the product of the rotor scooping area F and the length l of the scooping area 13, so that the following applies to the theoretically conveyable amount of gas (suction capacity):
  • the larger F (and thus V) for a fixed cross-sectional area Q the greater the area utilization factor ⁇ and thus Q th .
  • a large area efficiency ⁇ leads to small and compact Roots vacuum pumps, which has an impact on the material and manufacturing costs and thus on the price of the pumps.
  • is defined as the ratio of the effectively extracted gas quantity Q eff to the theoretically extractable gas quantity Q th . Because of the gaps which are necessarily present in a tumbler vacuum pump of the type concerned here (contact-free movement of the rotors), backflows of the gases are inevitable and therefore Q eff is always less than Q th .
  • a relatively large ⁇ could be achieved, for example, by small gap widths at the "point of contact" on the one hand and between the rotors and the wall of the suction chamber on the other. Small gap widths result in a high temperature sensitivity of the pump. The reason for this is that the heat removal from the pistons rotating in a vacuum is limited. In the case of small gap widths, a slight increase in the temperature of the rotors leads to a gap consumption and thus to the rotor starting.
  • CH-PS 389 817 also discloses a rotor profile contour with straight, parallel longitudinal sides for the foot profile (straight rotors). According to the information in the Swiss patent mentioned, this contour enables a relatively low final pressure to be achieved. However, a significant reduction in the area utilization rate is accepted, since the rotor surface area F is larger in pumps with waisted pistons than in pumps with straight pistons (cf. surfaces 9 and 32 in FIGS. 4 b and 6 b of the CH-PS 389 817). Machines with rotor profile contours of the type proposed in CH-PS 389 817 therefore build relatively large, are correspondingly heavy and are therefore relatively expensive.
  • the present invention has for its object to improve the profile contour of the rotors for a Roots vacuum pump.
  • this object is achieved by the characterizing features of the claims.
  • the contour of a foot profile section of a first rotor and the contour of a corresponding head profile section of a second rotor are obtained. Since these sections are identical to or mirror-symmetrical to the other base or head profile sections of the rotors because of the identity of the rotors, the entire profile contour of the rotors can be developed for a Roots machine.
  • Roots machine of this type it applies that it has a high area utilization factor ⁇ (62% and higher).
  • 62% and higher.
  • a given small suction capacity results in a relatively small cross-sectional area Q and thus a compact and inexpensive construction.
  • a Roots vacuum pump with rotors of the type according to the invention has a relatively high volumetric efficiency ⁇ .
  • the reason for this is that the profile slope in the bottom of the waist (with small ⁇ values) is kept low.
  • the osculation is to be understood as the ratio of the radii of curvature of the surfaces forming the gaps. With favorable osculation values, the radii of curvature differ only slightly from one another. This practically lengthens the gaps between the pistons themselves and between the pistons and the wall of the pump chamber and thus a lower backflow rate. This extension of the column does not affect the temperature behavior of the pump.
  • the "contact point" on the line of engagement carries out a constant movement, ie a movement without regression or jumps (sudden skipping of larger profile contour sections), so that there are no dead volumes or other contaminated areas during the entire pass-through, and thus volume inclusions or volume carryovers do not occur.
  • the rotor profile contour according to the invention has a uniform and continuous course, so that there are considerable manufacturing advantages. There are no abrupt changes in incline. A minimum (tool-related) radius of curvature is not undercut.
  • Figure 5 shows a pair of rotors with a profile contour according to the invention.
  • the area utilization rate ⁇ is 64%.
  • the slope at the bottom of the waist is small over a relatively wide range. It can therefore be seen that the cuddling of the rotors to one another and to the envelope is better than with the rotors according to the prior art.
  • Figure 7 represents lines of engagement E1, E2, E3 and E4, in the fixed coordinate system x f , y f .
  • Half the waist width B and half the pitch circle diameter are shown.
  • the lines of engagement E1, E2, E3 belong to the rotor profiles according to the prior art, namely
  • the outer, sine-like line of engagement E4 characterizes a particularly advantageous embodiment of the rotor profile contour according to the invention, i.e. it is expedient if the rotor profile contour according to the invention is chosen so that its associated line of engagement E4 has the greatest possible amplitude and a sine-like shape.
  • the profile contour sections 8, 11 After the profile contour sections 8, 11 have been shaped in accordance with the present invention, the shape of the other contour sections 9, 12 and thus the complete rotor profile is fixed, since the other contour sections are identical to or mirror-symmetrical to the sections 8, 11.
  • the profile contour can be provided with an equidistant depending on the angle of rotation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine Wälzkolbenvakuumpumpe mit zwei identischen Rotoren, welche jeweils eine im wesentlichen achtförmige, aus vier Fußprofilabschnitten und vier Kopfprofilabschnitten bestehende Profilkontur aufweisen.The invention relates to a rotor for a Roots vacuum pump with two identical rotors, each of which has an essentially eight-shaped profile contour consisting of four base profile sections and four head profile sections.

Wälzkolbenvakuumpumpen mit Rotoren dieser Art haben eine breite Anwendung gefunden. Die mit gleicher Drehzahl folgende Drehbewegung der durch ein Getriebe synchronisierten Rotoren erfolgt gegeneinander und zur Gehäusewand hin berührungsfrei. Die Rotoren unterliegen keinem mechanischem Verschleiß und können mit hohen Drehzahlen betrieben werden. Die Spaltbreite zwischen der Gehäusewand und den Rotoren sowie zwischen den Rotoren selbst beträgt wenige Zehntel Millimeter.Roots vacuum pumps with rotors of this type have been widely used. The rotary movement of the rotors, which are synchronized by a gearbox, follows at the same speed and takes place without contact with one another and towards the housing wall. The rotors are not subject to mechanical wear and can be operated at high speeds. The gap width between the housing wall and the rotors and between the rotors themselves is a few tenths of a millimeter.

Die Figuren 1 bis 5 zeigen Schnitte durch bekannte Rotoren bzw. Rotorpaare von Wälzkolbenpumpen der hier betroffenen Gattung. Figur 1a zeigt eine aus einer Evolventen entwickelte Rotorprofilkontur. Die Rotorprofilkontur nach Figur 1b ist aus der CH-PS 389 817 (Figuren 3, 6, "gerade" Rotoren) bekannt. Die Profilkontur nach Figur 1c hat Abschnitte, die der Form einer Zykloiden entsprechen. Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen nochmals die Profilkontur nach Figur 1a. Die in diese Figuren eingetragenen Buchstaben und Zahlen haben im einzelnen die folgenden Bedeutungen:

1:
Rotoren
2:
Drehachsen der Rotoren
3:
kurze Achse der Rotoren
4:
lange Achse der Rotoren
5:
Wälzkreis
6:
Fußprofil des Rotors (innerhalb des Wälzkreises 5 liegende Rotorkontur)
7:
Kopfprofil des Rotors (außerhalb des Wälzkreises 5 liegende Rotorkontur)
8, 9:
Fußprofilabschnitte
11, 12:
Kopfprofilabschnitte
13:
Umhüllende bzw. Kontur des Schöpfraumes
a:
Wälzkreisdurchmesser bzw. Abstand der Drehachsen 2
B:
kurzer Durchmesser des Rotors (Taillenbreite)
C:
Berührungspunkt der Wälzkreise 5
D:
langer Durchmesser des Rotors
E₁-E₄:
Eingriffslinien
F:
Rotorschöpffläche
Q:
Querschnittsfläche des Schöpfraumes
to, t:
Tangenten durch einen "Berührungspunkt"
x, y:
rotorfestes Koordinatensystem (Figur 4)
xf,yf:
orts-(gehäuse-)festes Koordinatensystem (Figur 3)
φ:
Zentridrehwinkel
α(φ):
Steigung der Tangente an die Profilkontur im "Berührungspunkt" der beiden Rotoren im Koordinatensystem x/y

Die Figuren 2, 3, 4 zeigen, daß sich die Profilkontur eines Rotors 1 aus vier Fußprofilabschnitten 8, 9 und vier Kopfprofilabschnitten 11, 12 zusammensetzt. Die Fußprofilabschnitte 8, 9 erstrecken sich vom Fußgrund (Schnittpunkt der Kontur mit der kurzen Rotorachse 3) bis zum Schnittpunkt der Kontur mit dem Wälzkreis 5. Die vier Fußabschnitte sind paarweise (Paarungen 8, 8 und 9, 9) einander gleich bzw. spiegelsymmetrisch (Paarungen 8, 9). Die Kopfprofilabschnitte erstrecken sich jeweils vom Schnittpunkt der Kontur mit der langen Rotorachse 4 bis zum Schnittpunkt mit dem Wälzkreis 5. Auch die vier Kopfprofilabschnitte sind paarweise einander gleich (Paarungen 11, 11 und 12, 12) bzw. spiegelsymmetrisch (Paarungen 11, 12). Die in den Figuren 1a und 2 bis 4 dargestellten Profilkonturen entsprechen der Kontur von Rotoren nach dem Stand der Technik (Evolvente), welche in der Vakuumtechnik vielfache Anwendung gefunden haben.Figures 1 to 5 show sections through known rotors or rotor pairs of Roots pumps of the type concerned here. FIG. 1a shows a rotor profile contour developed from an involute. The rotor profile contour according to Figure 1b is known from CH-PS 389 817 (Figures 3, 6, "straight" rotors). The profile contour according to FIG. 1c has sections which correspond to the shape of a cycloid. Figures 2, 3 and 4 again show the profile contour according to Figure 1a. The letters and numbers entered in these figures have the following meanings:
1:
Rotors
2:
Rotation axes of the rotors
3:
short axis of the rotors
4:
long axis of the rotors
5:
Pitch circle
6:
Base profile of the rotor (rotor contour lying within the pitch circle 5)
7:
Head profile of the rotor (rotor contour lying outside the pitch circle 5)
8, 9:
Foot profile sections
11, 12:
Head profile sections
13:
Enveloping or contour of the scoop space
a:
Pitch circle diameter or distance of the rotary axes 2
B:
short diameter of the rotor (waist width)
C:
Contact point of the pitch circles 5
D:
long diameter of the rotor
E₁-E₄:
Lines of intervention
F:
Rotor head area
Q:
Cross-sectional area of the scoop space
t o , t:
Tangents through a "point of contact"
x, y:
rotor-fixed coordinate system (Figure 4)
x f, yf :
fixed (housing) coordinate system (Figure 3)
φ:
Center rotation angle
α (φ):
Slope of the tangent to the profile contour at the "contact point" of the two rotors in the coordinate system x / y

Figures 2, 3, 4 show that the profile contour of a rotor 1 is composed of four base profile sections 8, 9 and four head profile sections 11, 12. The foot profile sections 8, 9 extend from the foot base (intersection of the contour with the short rotor axis 3) to the intersection of the contour with the pitch circle 5. The four foot sections are in pairs (pairings 8, 8 and 9, 9) the same or mirror-symmetrical ( Pairings 8, 9). The head profile sections each extend from the intersection of the contour with the long rotor axis 4 to the intersection with the pitch circle 5. The four head profile sections are also identical in pairs (pairings 11, 11 and 12, 12) or mirror-symmetrical (pairings 11, 12). The profile contours shown in FIGS. 1a and 2 to 4 correspond to the contour of rotors according to the prior art (involutes), which have been used many times in vacuum technology.

Bei jeder Stellung der beiden Rotoren im Schöpfraum gibt es eine Engstelle, die - obwohl die Rotoren einander nicht berühren - im weiteren als Berührungspunkt bezeichnet werden soll. Im Berührungspunkt bilden jeweils ein Punkt eines Fußprofilabschnittes des ersten Rotors mit einem Punkt eines korrespondierenden Kopfprofilabschnittes des zweiten Rotors die Engstelle. In einem rotorfesten kartesischen x-y-Koordinatensystem (Fig. 4) entspricht jedem Wert des Zentriwinkels φ ein

f(φ) = Y(φ) = α( )

Figure imgb0001


α(φ) ist die Steigung der Tangente in einem Berührungspunkt an die Profilkontur. Bei einem Zentrierwinkel φ = 0 ist beispielsweise die Steigung der Tangente to im Berührungspunkt an die Profilkontur (Fig. 3) gleich 0.With each position of the two rotors in the scoop, there is a constriction which - although the rotors do not touch each other - shall be referred to below as the point of contact. At the point of contact, a point of a foot profile section of the first rotor with a point of a corresponding head profile section of the second rotor form the constriction. In a Cartesian xy coordinate system fixed to the rotor (FIG. 4), each value of the central angle corresponds to φ

f (φ) = Y (φ) = α ()
Figure imgb0001


α (φ) is the slope of the tangent at a point of contact with the profile contour. With a centering angle φ = 0, for example, the slope of the tangent t o at the point of contact with the profile contour (FIG. 3) is 0.

Während des Betriebs der Pumpe bzw. während der Drehung der Rotoren wandert der Berührungspunkt auf einer geschlossenen Linie. Die für die Rotorprofilkontur nach den Figuren 1a, 2 bis 4 (Evolvente) typische Eingriffslinie ist in Figur 3 dargestellt und mit E₁ bezeichnet. Sie hat eine der Form einer acht ähnliche Gestalt mit einem mit C bezeichneten Zentrum. Die Darstellung der Eingriffslinie E₁ erfolgt in einem orts- bzw. gehäusefesten Koordinatensystem xf, yf, dessen 0-Punkt in der Achse 2 eines Rotors liegt. Das Koordinatensystem xf, yf ist in Figur 3 eingezeichnet.During the operation of the pump or during the rotation of the rotors, the point of contact moves on a closed line. The typical line of engagement for the rotor profile contour according to FIGS. 1a, 2 to 4 (involute) is shown in FIG. 3 and designated E₁. It has an eight-like shape with a center labeled C. The line of engagement E 1 is shown in a stationary or housing-fixed coordinate system x f , y f , the 0 point of which lies in the axis 2 of a rotor. The coordinate system x f , y f is shown in FIG. 3.

Ein charakteristischer Wert für die Eigenschaften einer Wälzkolbenvakuumpumpe der hier betroffenen Art ist der Flächennutzungsgrad µ, definiert als Verhältnis der vierfachen Rotorschöpffläche F zur Querschnittsfläche Q des Schöpfraumes 13. Das bei jeder Halbdrehung der Rotoren geförderte Volumen V ist gleich dem Produkt aus der Rotorschöpffläche F und der Länge l des Schöpfraumes 13, so daß für die theoretisch förderbare Gasmenge (Saugvermögen) gilt:

Q th = 4·V·n = 4·F·l·n

Figure imgb0002


wobei n die Drehzahl der Kolben ist. Je größer F (und damit V) bei fest vorgegebener Querschnittsfläche Q ist, desto größer ist der Flächennutzungsgrad µ und damit Qth. Bei vorgegebenem Saugvermögen führt deshalb ein großer Flächennutzungsgrad µ zu kleinen und kompakten Wälzkolbenvakuumpumpen, was Auswirkungen auf die Material- und Herstellkosten und damit auf den Preis der Pumpen hat.A characteristic value for the properties of a Roots vacuum pump of the type concerned here is the area utilization factor µ, defined as the ratio of four times the rotor head area F to the cross-sectional area Q of the scooping area 13. The volume V delivered with each half rotation of the rotors is equal to the product of the rotor scooping area F and the length l of the scooping area 13, so that the following applies to the theoretically conveyable amount of gas (suction capacity):

Q th = 4 · V · n = 4 · F · l · n
Figure imgb0002


where n is the speed of the pistons. The larger F (and thus V) for a fixed cross-sectional area Q, the greater the area utilization factor µ and thus Q th . For a given pumping speed, a large area efficiency µ leads to small and compact Roots vacuum pumps, which has an impact on the material and manufacturing costs and thus on the price of the pumps.

Ein weiterer charakteristischer Wert für die Eigenschaften einer Wälkolbenvakuumpumpe ist der volumetrische Wirkungsgrad η . Er ist definiert als das Verhältnis von effektiv geförderter Gasmenge Qeff zur theoretisch förderbaren Gasmenge Qth. Wegen der in einer Wälkolbenvakuumpumpe der hier betroffenen Art (berührungsfreie Bewegung der Rotoren) notwendigerweise vorhandenen Spalte sind Rückströmungen der Gase unvermeidlich und damit Qeff stets kleiner als Qth. Je größer η ist, desto günstiger ist das Kompressionsverhalten einer Wälzkolbenvakuumpumpe. Ein relativ großes η ließe sich beispielsweise durch kleine Spaltbreiten im "Berührungspunkt" einerseits und zwischen den Rotoren und der Schöpfraumwandung andererseits erreichen. Kleine Spaltbreiten haben aber eine hohe Temperaturempfindlichkeit der Pumpe zur Folge. Der Grund dafür liegt darin, daß die Abfuhr der Wärme von den im Vakuum rotierenden Kolben begrenzt ist. Bei kleinen Spaltbreiten führt bereits eine geringfügige Temperaturerhöhung der Rotoren zu einer Spaltaufzehrung und damit zum Anlaufen der Rotoren.Another characteristic value for the properties of a Roots vacuum pump is the volumetric efficiency η. It is defined as the ratio of the effectively extracted gas quantity Q eff to the theoretically extractable gas quantity Q th . Because of the gaps which are necessarily present in a tumbler vacuum pump of the type concerned here (contact-free movement of the rotors), backflows of the gases are inevitable and therefore Q eff is always less than Q th . The larger η is, the better the compression behavior of a Roots vacuum pump. A relatively large η could be achieved, for example, by small gap widths at the "point of contact" on the one hand and between the rotors and the wall of the suction chamber on the other. Small gap widths result in a high temperature sensitivity of the pump. The reason for this is that the heat removal from the pistons rotating in a vacuum is limited. In the case of small gap widths, a slight increase in the temperature of the rotors leads to a gap consumption and thus to the rotor starting.

In Bezug auf die Optimierung der Eigenschaften einer Wälzkolbenpumpe sind möglichst große Werte für µ und η erstrebenswert.With regard to the optimization of the properties of a Roots pump, the largest possible values for µ and η are desirable.

Gleichzeitig ist zu berücksichtigen, daß zur Fertigung insbesondere der Rotoren wegen ihrer besonderen Profilkonturen und wegen der geringen Spaltbreiten aufwendige Bearbeitungsverfahren erforderlich sind. Wegen dieser aufwendigen Bearbeitungsverfahren war deshalb in der Vergangenheit die Herstellung größerer Wälzkolbenmaschinen mit weniger günstigen µ- und η-Werten häufig kostengünstiger als die Herstellung kleinerer Maschinen mit besseren µ- und η-Werten, im übrigen aber gleichen Leistungsdaten.At the same time, it must be taken into account that, in particular for the manufacture of the rotors, complex machining processes are required because of their special profile contours and because of the small gap widths. Because of these complex machining processes, the production of larger Roots machines with less favorable µ and η values was often cheaper in the past than the production of smaller machines with better µ and η values, but otherwise the same performance data.

Zum Stand der Technik wird auf das Buch von G. Niemann und H. Winter "Maschinenelemente", Bd. 2, 1985 sowie auf den Inhalt der erwähnten CH-PS 389 817 hingewiesen. Diese Literaturstellen zeigen zum einen, daß eine Vielzahl von Rotorprofilkonturen bekannt ist (CH-PS), welche sich zum großen Teil auf dem Markt nicht durchgesetzt haben. Zum anderen zeigen diese Literaturstellen, daß die Profilkontur der Rotoren von auf dem Markt eingeführten Rootsgebläsen bzw. -pumpen mit Hilfe von Rollkurven (Zykloide, Evolvente) erzeugt werden (CH-PS 389 817, Figur 2; "Maschinenelemente", Bd. 2, S. 142). Wälzkolbenpumpen mit derartigen Rotoren haben einen nicht wesentlich über 50 Prozent hinausgehenden Flächennutzungsgrad µ.With regard to the state of the art, reference is made to the book by G. Niemann and H. Winter "Maschinenelemente", vol. 2, 1985, and to the content of the above-mentioned CH-PS 389 817. On the one hand, these references show that a large number of rotor profile contours are known (CH-PS), which for the most part have not become established on the market. On the other hand, these references show that the profile contour of the rotors of Roots blowers or pumps introduced on the market are generated with the aid of roll curves (cycloids, involutes) (CH-PS 389 817, FIG. 2; "Machine elements", Vol. 2, P. 142). Roots pumps with such rotors have an area efficiency µ that does not significantly exceed 50 percent.

Durch die CH-PS 389 817 ist weiterhin eine Rotorprofilkontur mit geraden, parallel zueinander sich erstreckenden Längsseiten für das Fußprofil (gerade Rotoren) bekannt. Nach den Angaben in der genannten CH-Patentschrift ermöglicht diese Kontur das Erreichen eines relativ niedrigen Enddruckes. Dabei wird jedoch eine deutliche Reduzierung des Flächennutzungsgrades in Kauf genommen, da die Rotorschöpffläche F bei Pumpen mit taillierten Kolben größer ist als bei Pumpen mit geraden Kolben (vgl. die Flächen 9 bzw. 32 in den Figuren 4 b und 6 b der CH-PS 389 817). Maschinen mit Rotorprofilkonturen der in der CH-PS 389 817 vorgeschlagenen Art bauen deshalb relativ groß, sind entsprechend schwer und damit zwangsweise relativ kostspielig.CH-PS 389 817 also discloses a rotor profile contour with straight, parallel longitudinal sides for the foot profile (straight rotors). According to the information in the Swiss patent mentioned, this contour enables a relatively low final pressure to be achieved. However, a significant reduction in the area utilization rate is accepted, since the rotor surface area F is larger in pumps with waisted pistons than in pumps with straight pistons (cf. surfaces 9 and 32 in FIGS. 4 b and 6 b of the CH-PS 389 817). Machines with rotor profile contours of the type proposed in CH-PS 389 817 therefore build relatively large, are correspondingly heavy and are therefore relatively expensive.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Profilkontur der Rotoren für eine Wälzkolbenvakuumpumpe zu verbessern.The present invention has for its object to improve the profile contour of the rotors for a Roots vacuum pump.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst. Durch die Anwendung dieser Merkmale erhält man zunächst die Kontur eines Fußprofilabschnittes eines ersten Rotors sowie die Kontur eines korrespondierenden Kopfprofilabschnittes eines zweiten Rotors. Da diese Abschnitte wegen der Identität der Rotoren identisch mit oder spiegelsymmetrisch zu den übrigen Fuß- bzw. Kopfprofilabschnitten der Rotoren sind, läßt sich die gesamte Profilkontur der Rotoren für eine Wälzkolbenmaschine entwickeln.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the claims. By using these features, the contour of a foot profile section of a first rotor and the contour of a corresponding head profile section of a second rotor are obtained. Since these sections are identical to or mirror-symmetrical to the other base or head profile sections of the rotors because of the identity of the rotors, the entire profile contour of the rotors can be developed for a Roots machine.

Für eine Wälzkolbenmaschine dieser Art gilt, daß sie einen hohen Flächennutzungsgrad µ (62% und höher) hat. Infolge dieses hohen Flächennutzungsgrades ergibt sich bei vorgegebenem Saugvermögen eine relativ kleine Schöpfraumquerschnittsfläche Q und damit eine kompakte sowie kostengünstige Bauweise.For a Roots machine of this type it applies that it has a high area utilization factor µ (62% and higher). As a result of this high degree of space utilization, a given small suction capacity results in a relatively small cross-sectional area Q and thus a compact and inexpensive construction.

Gleichzeitig hat eine Wälzkolbenvakuumpumpe mit Rotoren der erfindungsgemäßen Art einen relativ hohen volumetrischen Wirkungsgrad η . Der Grund dafür liegt darin, daß die Profilsteigung im Taillengrund (bei kleinen φ-Werten) gering gehalten wird. Dadurch ergeben sich sowohl zwischen den Rotoren selbst als auch zwischen den Rotoren sowie der Schöpfraumwandung günstige Schmiegungswerte. Unter der Schmiegung soll das Verhältnis der Krümmungsradien der die Spalte bildenden Flächen verstanden werden. Bei günstigen Schmiegungswerten weichen die Krümmungsradien nur wenig voneinander ab. Dadurch wird praktisch eine Verlängerung der zwischen den Kolben selbst sowie zwischen den Kolben und der Schöpfraumwandung vorhandenen Spalte und damit eine geringere Rückströmungsrate erzielt. Diese Verlängerung der Spalte beeinträchtigt nicht das Temperaturverhalten der Pumpe.At the same time, a Roots vacuum pump with rotors of the type according to the invention has a relatively high volumetric efficiency η. The reason for this is that the profile slope in the bottom of the waist (with small φ values) is kept low. This results in favorable osculation values both between the rotors themselves and between the rotors and the wall of the suction chamber. The osculation is to be understood as the ratio of the radii of curvature of the surfaces forming the gaps. With favorable osculation values, the radii of curvature differ only slightly from one another. This practically lengthens the gaps between the pistons themselves and between the pistons and the wall of the pump chamber and thus a lower backflow rate. This extension of the column does not affect the temperature behavior of the pump.

Zur Verringerung der Rückströmungsraten und damit zur Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades trägt weiterhin bei, daß trotz hoher µ-Werte der "Berührungspunkt" auf der Eingriffslinie eine stetige Bewegung, d.h., eine Bewegung ohne Rückschritt oder Sprünge (schlagartiges Überspringen größerer Profilkonturabschnitte) ausführt, so daß während der gesamten Abwälzung Totvolumina oder andere Schadräume nicht vorhanden sind und damit Volumeneinschlüsse oder Volumenverschleppungen nicht eintreten.To reduce the backflow rates and thus to improve the volumetric efficiency further contributes to the fact that, despite high μ values, the "contact point" on the line of engagement carries out a constant movement, ie a movement without regression or jumps (sudden skipping of larger profile contour sections), so that there are no dead volumes or other contaminated areas during the entire pass-through, and thus volume inclusions or volume carryovers do not occur.

Die erfindungsgemäße Rotorprofilkontur hat einen gleichförmigen und stetigen Verlauf, so daß sich erhebliche Fertigungsvorteile ergeben. Abrupte Steigungsänderungen treten nicht auf. Ein minimaler (werkzeugbedingter) Krümmungsradius wird nicht unterschritten.The rotor profile contour according to the invention has a uniform and continuous course, so that there are considerable manufacturing advantages. There are no abrupt changes in incline. A minimum (tool-related) radius of curvature is not undercut.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Figuren 5 bis 7 erläutert werden.Further advantages and details of the invention will be explained with reference to FIGS. 5 to 7.

Figur 5 zeigt ein Rotorpaar mit einer Profilkontur nach der Erfindung. Der Flächennutzungsgrad µ beträgt 64%. Die Steigung im Taillengrund ist in einem relativ weiten Bereich gering. Es ist deshalb ersichtlich, daß die Schmiegung der Rotoren zueinander und zur Umhüllenden besser ist als bei den Rotoren nach dem Stand der Technik.Figure 5 shows a pair of rotors with a profile contour according to the invention. The area utilization rate µ is 64%. The slope at the bottom of the waist is small over a relatively wide range. It can therefore be seen that the cuddling of the rotors to one another and to the envelope is better than with the rotors according to the prior art.

Figur 6 zeigt den Verlauf der Kurve α(φ) in Abhängigkeit vom Zentriwinkel φ von 0° bis 45°. Bis auf den Anfangs- und Endbereich (jeweils etwa 5°) ist α(φ) größer als φ . Die Gerade α(φ) = φ

Figure imgb0003
ist gestrichelt eingezeichnet.Figure 6 shows the course of the curve α (φ) depending on the central angle φ from 0 ° to 45 °. Except for the start and end range (each about 5 °), α (φ) is larger than φ. Straight α (φ) = φ
Figure imgb0003
is shown in dashed lines.

Figur 7 stellt Eingriffslinien E₁, E₂, E₃ und E₄ dar, und zwar im ortsfesten Koordinatensystem xf, yf. Die halbe Taillenbreite B und der halbe Wälzkreisdurchmesser sind eingezeichnet. Die Eingriffslinien E₁, E₂, E₃ gehören zu den Rotorprofilen nach dem Stand der Technik, und zwar

Figure imgb0004
Figure 7 represents lines of engagement E₁, E₂, E₃ and E₄, in the fixed coordinate system x f , y f . Half the waist width B and half the pitch circle diameter are shown. The lines of engagement E₁, E₂, E₃ belong to the rotor profiles according to the prior art, namely

Figure imgb0004

Die äußere, sinusähnliche Eingriffslinie E₄ kennzeichnet eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotorprofilkontur, d.h., es ist zweckmäßig, wenn die erfindungsgemäße Rotorprofilkontur so gewählt wird, daß ihre zugehörige Eingriffslinie E₄ eine möglichst große Amplitude und eine sinusähnliche Form hat.The outer, sine-like line of engagement E₄ characterizes a particularly advantageous embodiment of the rotor profile contour according to the invention, i.e. it is expedient if the rotor profile contour according to the invention is chosen so that its associated line of engagement E₄ has the greatest possible amplitude and a sine-like shape.

Nach der Formgebung der Profilkonturabschnitte 8, 11 entsprechend der vorliegenden Erfindung liegt die Form der übrigen Konturabschnitte 9, 12 und damit das vollständige Rotorprofil fest, da die übrigen Konturabschnitte identisch mit oder spiegelsymmetrisch zu den Abschnitten 8, 11 sind. Zur Einstellung anwendungsspezifischer Spiele (Spaltbreiten) kann die Profilkontur drehwinkelabhängig mit einer den Anforderungen entsprechenden Äquidistanten versehen werden.After the profile contour sections 8, 11 have been shaped in accordance with the present invention, the shape of the other contour sections 9, 12 and thus the complete rotor profile is fixed, since the other contour sections are identical to or mirror-symmetrical to the sections 8, 11. To set application-specific clearances (gap widths), the profile contour can be provided with an equidistant depending on the angle of rotation.

Der Einsatz von Rotoren mit der erfindungsgemäßen Profilkontur in Wälzkolbenvakuumpumpen führt zu einer optimierten Lösung mit wesentlichen Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik. Trotz relativ großem Flächennutzungsgrad können ein stetiger Konturverlauf erreicht und minimale Krümmungsradien vermieden werden.Dadurch ergeben sich nicht nur eine kompakte Bauweise (kleiner, leichter) sondern auch eine vereinfachte Fertigung. Der verbesserte Schmiegungsverlauf und die relativ gleichmäßige Profilberührungspunkt-Bewegung führen zu einem günstigen volumetrischen Wirkungsgrad. Insgesamt wird eine Verbesserung der Pumpeigenschaften bei gleichzeitiger Reduzierung der Herstellkosten erreicht.The use of rotors with the profile contour according to the invention in Roots vacuum pumps leads to an optimized solution with significant improvements compared to the prior art. Despite the relatively large area utilization, a continuous contour can be achieved and minimal radii of curvature avoided, which not only results in a compact design (smaller, lighter), but also in simplified production. The improved osculation process and the relatively even profile contact point movement lead to a favorable volumetric efficiency. Overall, an improvement in the pump properties is achieved with a simultaneous reduction in manufacturing costs.

Claims (3)

  1. Roots vacuum pump with two identical rotors which have a profile contour which is essentially shaped like a figure eight and consists of four root profile sections (8, 9) and four tip profile sections (11, 12), characterised in that
    a) the root profile section (8) of the rotors (1) has the following properties in a coordinate system (x, y, φ) which is fixed with respect to the rotors
    - the y value corresponding to half the minor rotor diameter B when

    φ = x = o
    Figure imgb0006


    lies between 0.5 a (a = rolling circle diameter) and a (1 - √2/2),
    - the following applies for the values between φ = 0° and φ = 45° for the tangent gradient angle α(φ):
    up to ≈ 5° : α(φ) < φ
    from ≈ 5° to ≈ 40° : α(φ) > φ
    from ≈ 40° upwards : α(φ) < φ
    and
    b) the contour of the tip profile (11) of the second rotor (1) which corresponds to the root profile contour (8) of the first rotor (1) corresponds to a generation of the contour of the root profile (8) of the first rotor.
  2. Roots vacuum pump according to claim 1, characterised in that the following applies for the tangent gradient angle α(φ) as a function of φ:
    α(φ) > 40° for φ ≧ 15°.
  3. Roots vacuum pump according to claim 1, 2 or 3, characterised in that an equidistance is taken into account to form rotor clearance values.
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