EP1571340B1

EP1571340B1 - Dry running positive displacement vacuum pump with internal compression

Info

Publication number: EP1571340B1
Application number: EP04005342A
Authority: EP
Inventors: Johannes Dr. Eickhoff; Heiner Dr. Kösters
Original assignee: Sterling Industry Consult GmbH
Current assignee: Sterling Industry Consult GmbH
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: EP1571340A1; DE502004012468D1; ATE508280T1

Abstract

The dry vacuum pump has several successive chambers closed off leaving leakage openings where the cross-sectional area of the opening is greater on at least one chamber on the suction side than on the chamber on the pressure side. The pump can be a screw spindle pump with the chambers formed on the same spindles. The pump is set up for a lower speed with an average and higher suction-side pressure than with a low suction-side pressure.

Description

Die Erfindung betrifft eine trocken Verdrängervakuumpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Pumpe ist bekannt aus EP 1 111 243 A2 oder aus US 5,951,266 (Fig. 10).The invention relates to a dry displacement vacuum pump according to the preamble of claim 1. Such a pump is known from EP 1 111 243 A2 or off US 5,951,266 (Figure 10).

Mechanische Vakuumpumpen nach dem Verdrängerprinzip werden über einen weiten Druckbereich betrieben. Einerseits gleicht der Saugdruck beim Starten der Pumpe und bei Beginn des Evakuierens der angeschlossenen Apparatur dem Atmosphärendruck. Andererseits ist es Hauptaufgabe der Pumpe, das Vakuum bei niedrigem Saugdruck unter 100 mbar bis herab zur Größenordnung von 10^-3 mbar aufrechtzuerhalten. Daraus ergeben sich für den Betrieb der Pumpe äußere Druckverhältnisse zwischen 1 und 10⁶. Auf eine effiziente Verdichtung kommt es vor allem im Haupteinsatzgebiet bei hohem Druckverhältnis an, da diese direkt in die Investitions- und Betriebskosten eingeht. Von großem Einfluß auf die Effizienz ist die innere Verdichtung der Pumpe. Darunter versteht man, dass das Volumen der von der Saugseite zur Druckseite sich bewegenden Kammern sich mit zunehmender Annäherung an die Druckseite verringert. Der Wirkungsgrad ist umso besser, je näher die innere Verdichtung dem äußeren Druckverhältnis kommt. Eine hohe innere Verdichtung ist deshalb für Vakuumpumpen ein wichtiges Konstruktionsziel.Mechanical vacuum pumps according to the displacement principle are operated over a wide pressure range. On the one hand, the suction pressure when starting the pump and at the beginning of the evacuation of the connected equipment is equal to the atmospheric pressure. On the other hand, it is the main task of the pump to maintain the vacuum at low suction pressure below 100 mbar down to the order of 10 ^-3 mbar. This results in the operation of the pump external pressure ratios between 1 and 10 ⁶ . Efficient compression is particularly important in the main application area with a high pressure ratio, as this is directly reflected in the investment and operating costs. Of great influence on the efficiency is the internal compression of the pump. This is understood to mean that the volume of the chambers moving from the suction side to the pressure side decreases with increasing approach to the pressure side. The efficiency is better, the closer the internal compression comes to the external pressure ratio. High internal compression is therefore an important design goal for vacuum pumps.

Bislang werden trocken laufende Verdrängervakuumpumpen mit einer inneren Verdichtung um den Faktor 2 bis 5 gebaut. Die Begrenzung ergibt sich daraus, daß eine höhere innere Verdichtung zu thermischen und mechanischen Schwierigkeiten bei hohen und mittleren Saugdrücken führt. Vor allem im mittleren Druckbereich von 200 bis 300 mbar, in dem die theoretische Verdichtungsleistung am höchsten ist, ergeben sich aufgrund der großen Wärmeerzeugung hohe Temperaturen und ist eine hohe Antriebsleistung aufzubringen. Deshalb ist es üblich, die Maschinen für diesen Bereich auszulegen. Das bedeutet, dass Antriebsleistung und Kühlung wesentlich stärker dimensioniert werden müssen, als es für den Hauptbetriebsbereich erforderlich wäre. Außerdem wird in Kauf genommen, dass bei den sehr viel niedrigeren Drücken des Hauptbetriebsbereichs die innere Verdichtung ungünstig ist. Bei nicht trocken laufenden Vakuumpumpen kann man eine höhere innere Verdichtung dadurch erreichen, dass man in den Pumpen Ventile vorsieht, die erst bei Erreichen des Auslaßdruckes öffnen. Solche Ventile sind ölüberlagert, aber moderne Vakuumprozesse verlangen zunehmend nach trocken laufenden Vakuumpumpen, teils weil die Rückverdampfung von Betriebs- oder Schmierflüssigkeit in die zu evakuierende Apparatur vermieden werden muß, andernteils aus umwelttechnischen Gründen. Trockene Ventile haben aber bei trocken laufenden Maschinen eine zu kurze Lebensdauer.So far, dry running displacement vacuum pumps are built with a internal compression by a factor of 2 to 5. The Limitation arises from the fact that a higher internal compression leads to thermal and mechanical difficulties at high and medium suction pressures. Especially in the medium pressure range of 200 to 300 mbar, in which the theoretical compression capacity is highest, resulting due to the large heat generation high temperatures and is a high drive power to apply. Therefore, it is customary to design the machines for this area. This means that the drive power and cooling must be much larger than would be required for the main operating range. In addition, it is accepted that at the much lower pressures of the main operating range, the internal compression is unfavorable. For non-dry running vacuum pumps can achieve a higher internal compression in that it provides valves in the pump, which only open when the outlet pressure. Such valves are oil superimposed, but modern vacuum processes increasingly require dry-running vacuum pumps, partly because the re-evaporation of operating or lubricating fluid must be avoided in the equipment to be evacuated, partly for environmental reasons. Dry valves, however, have a too short life for dry running machines.

Um dennoch auch bei trocken laufenden Vakuumpumpen eine höhere innere Verdichtungen erreichen zu können, hat man zusätzliche Maßnahmen für eine Begrenzung der Wärmeerzeugung oder des Drehmoments in den kritischen Saugdruckbereichen erwogen. In der EP-A-1111243 wird eine Absenkung der Drehzahl im Fall höherer Saugdrücke empfohlen. Dadurch könne man ein inneres Verdichtungsverhältnis von 10 oder mehr erreichen. Dabei wird übersehen, dass das aufzubringende Drehmoment nicht von der Drehzahl sondern von dem Verdichtungsverhältnis und dem Saugdruck abhängt und somit durch eine Drehzahlabsenkung nicht wesentlich verringert werden kann. - Nach der WO 02/08609 kann eine innere Verdichtung bis zum Faktor 10 bei einem Schraubenspindelverdichter erreicht werden, wenn die Form der Rotoren geometrisch optimiert wird. Dies kann aber bei Einsatz als Vakuumpumpe nicht zur Lösung der geschilderten Probleme führen, weil die Wärmeerzeugung und der Drehmomentbedarf nicht unter die dem Verdichtungsverhältnis theoretisch zugeordnete Grenze fallen können. - Die Konstruktion nach EP-B-1108143 ermöglicht eine hohe innere Verdichtung dadurch, dass ein innerhalb des Kompressors bei hohem Ansaugdruck entstehender Überdruck durch ein federbelastetes Ventil entspannt wird. Wie bereits bemerkt, hat sich jedoch gezeigt, dass derartige Ventile bei Trockenbetrieb nur eine kurze Lebensdauer haben. Die DE-A-10129341 geht von der Beobachtung aus, dass der größte Teil der Verdichtungsleistung einer Schraubenspindelmaschine im letzten ausgangsseitigen Rotorendbereich umgesetzt wird, so dass dort entsprechend hohe Temperaturen bei der Verdichtung auftreten. Diesem Nachteil soll dadurch abgeholfen werden, dass die Leistungsumsetzung und Wärmeerzeugung auf einen größeren Abschnitt der Verdrängerspindel verteilt wird, indem die Profilkontur der Rotoren zur Auslassseite hin mit zunehmend größeren Flankenlückenöffnungen ausgeführt wird. Dadurch soll eine Gasrückströmung zwischen den einzelnen Arbeitskammern mit entsprechendem Druckabbau erfolgen, so dass die Wärmeabführung günstiger wird. Dadurch werden jedoch das erreichbare Vakuum und der Wirkungsgrad verschlechtert. Denn um die Leckverluste gering zu halten, bedarf es bei trocken laufenden Verdrängervakuumpumpen enger Spalten zwischen den Verdrängern und dem Gehäuse bzw. zwischen zusammenwirkenden Verdrängerpaaren.However, in order to be able to achieve a higher internal compression even in dry-running vacuum pumps, additional measures have been considered for limiting the heat generation or the torque in the critical suction pressure ranges. In the EP-A-1111243 a reduction of the speed in case of higher suction pressures is recommended. This could achieve an internal compression ratio of 10 or more. It is overlooked that the applied Torque is not dependent on the speed but on the compression ratio and the suction pressure and thus can not be significantly reduced by a speed reduction. - After WO 02/08609 For example, internal compression up to a factor of 10 can be achieved with a screw compressor if the shape of the rotors is geometrically optimized. However, this can not lead to the solution of the problems described when used as a vacuum pump, because the heat generation and the torque requirement can not fall below the compression ratio theoretically assigned limit. - The construction after EP-B-1108143 allows a high internal compression in that a pressure generated within the compressor at high suction pressure is released by a spring-loaded valve. As already noted, however, it has been shown that such valves only have a short service life in dry operation. The DE-A-10129341 is based on the observation that most of the compaction performance of a screw machine is implemented in the last output-side rotor end region, so that correspondingly high temperatures occur during compaction. This disadvantage is to be remedied by distributing the power conversion and heat generation over a larger section of the displacement spindle by executing the profile contour of the rotors toward the outlet side with progressively larger edge gap openings. As a result, a backflow of gas between the individual working chambers should take place with corresponding pressure reduction, so that the heat dissipation is cheaper. As a result, however, the attainable vacuum and the efficiency are deteriorated. Because in order to keep the leakage low, it is necessary for dry running Verdrängervakuumpumpen narrow gaps between the displacers and the housing or between cooperating Verdrängerpaaren.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine trocken laufende Verdrängervakuumpumpe gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die eine verbesserte Leistungscharakteristik ohne die erwähnten Schwierigkeiten bei höheren Ansaugdrücken zeigt. Die erfindungsgemäße Lösung besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1 und vorzugsweise in denjenigen der Unteransprüche.The invention is therefore an object of the invention to provide a dry-running Verdrängervakuumpumpe according to the preamble of claim 1, which shows an improved performance without the mentioned difficulties at higher suction pressures. The solution according to the invention consists in the features of claim 1 and preferably in those of the subclaims.

Demnach hat eine trockene Verdrängervakuumpumpe mehrere hintereinander angeordnete Kammern, deren Volumen zum Zwecke der inneren Verdichtung von der Saugseite zur Druckseite abnimmt. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Kammern Lecköffnungen aufweisen, nämlich insbesondere die unvermeidlichen Spalte zwischen den Verdrängern und dem Gehäuse sowie zwischen den Verdrängern. Die erfindungsgemäße Maßnahme besteht darin, dass der Lecköffnungsquerschnitt mindestens einer saugseitigen Kammer größer ist als der einer druckseitigen Kammer, wobei der unterschiedliche Lecköffnungsquerschnitt zumindest teilweise auf unterschiedlicher Spaltweite beruht. Einerseits bewirken die höheren saugseitigen Leckverluste bei hohem Ansaugdruck eine Verminderung der inneren Verdichtung und damit eine Verringerung der mit der Wärmeerzeugung und Leistungsaufnahme verbundenen Probleme. Andererseits - dies ist der Kern der erfinderischen Erkenntnis - sind die Leckverluste bei niedrigem Ansaugdruck wesentlich geringer. Das beruht auf der Tatsache, dass bei hohem Ansaugdruck die Rückströmung in den Lecköffnungen nach den Gesetzen der viskosen Strömung abläuft, während bei niedrigem Ansaugdruck molekulare oder Knudsensche Strömungscharakteristik vorliegt. Aus der Unterschiedlichkeit der Strömungsverhältnisse folgt, dass die Lecköffnungen bei niedrigen Ansaugdrücken sehr viel dichter sind als bei höheren Ansaugdrücken. Sie erlauben bei niedrigen Ansaugdrücken bessere Verdichtungswerte als bei hohen Ansaugdrücken. Dadurch erreicht man einerseits die gewünschte Entlastung bei hohen Ansaugdrücken, ohne andererseits entsprechende Nachteile bei niedrigen Ansaugdrücken in Kauf nehmen zu müssen.Accordingly, a dry displacement vacuum pump has a plurality of chambers arranged one behind the other, the volume of which decreases for the purpose of internal compression from the suction side to the pressure side. It is assumed that the chambers have leak openings, namely in particular the inevitable gap between the displacers and the housing and between the displacers. The measure according to the invention consists in that the leak-opening cross-section of at least one suction-side chamber is greater than that of a pressure-side chamber, the different leak-opening cross-section being based at least in part on different gap width. On the one hand, the higher suction-side leakage losses at high intake pressure cause a reduction in internal compression and thus a reduction in the problems associated with heat generation and power consumption. On the other hand - this is the core of inventive insight - the leakage at low suction pressure are much lower. This is due to the fact that at high suction pressure, the backflow in the leak openings will proceed according to the laws of viscous flow, while at low suction pressure there will be molecular or Knudsenian flow characteristics. From the difference of the flow conditions follows that the Leak openings at low intake pressures are much denser than at higher intake pressures. They allow better compression values at low intake pressures than at high intake pressures. As a result, on the one hand to achieve the desired relief at high intake pressures, without having to accept the corresponding disadvantages at low intake pressures in purchasing.

Diese Bemessung der Lecköffnungen widerspricht bisheriger Anschauung, dass man besonders auf der Saugseite eine gute Verdichtung durch enge Dichtspalte erreichen soll.This dimensioning of the leak openings contradicts previous view that you should achieve a good compaction through narrow sealing gaps, especially on the suction side.

Molekularströmung findet dann statt, wenn die mittlere freie Weglänge der Moleküle nicht wesentlich geringer ist als das charakteristische Querschnittsmaß der Öffnung. Viskose Strömung findet statt, wenn die mittlere freie Weglänge wesentlich kleiner als die Querschnittsabmessung ist. Der Begriff Knudsenströmung bezeichnet den Übergangsbereich zwischen den genannten beiden Strömungsarten.Molecular flow occurs when the mean free path of the molecules is not significantly less than the characteristic cross-sectional dimension of the opening. Viscous flow occurs when the mean free path is much smaller than the cross-sectional dimension. The term Knudsen flow designates the transition region between the two types of flow mentioned.

Die erfindungsgemäße Lehre läuft in der Regel darauf hinaus, dass die Spaltweiten zwischen Verdränger und Gehäuse sowie zwischen Verdrängerpaaren im saugseitigen Bereich der Pumpe wesentlich größer gemacht werden als im druckseitigen Bereich, wobei im druckseitigen Bereich die Spalten - wie generell üblich - so eng wie möglich sind. Das gilt für alle Verdrängerpumpen mit mehreren hintereinander angeordneten Kammern und vornehmlich für Schraubenspindelpumpen, Wälzkolbenpumpen und Klauenpumpen.The teaching according to the invention generally results in the fact that the gap widths between the displacer and the housing and between displacer pairs in the suction-side region of the pump are made substantially larger than in the pressure-side region, with the gaps being as narrow as possible in the pressure-side region, as is generally the case , This applies to all positive displacement pumps with several chambers arranged one behind the other and primarily to screw pumps, Roots pumps and claw pumps.

Zusätzlich kann die Drehzahl - wie an sich bekannt - bei mittlerem bis hohem Saugdruck unter die Drehzahl abgesenkt werden, die bei geringem Saugdruck vorgesehen ist. Dadurch wird die Zeitdauer, die für die Rückströmung aus einer Kammer zur Verfügung steht, gegenüber der Normaldrehzahl im Verhältnis der Drehzahlen vergrößert. Während dieser Effekt bei bekannten Pumpen nicht ausreichend ist, weil dort die geringe Spaltweite auch bei langsamer Drehzahl eine ins Gewicht fallende Rückströmung verhindert, führt die Drehzahlabsenkung in Verbindung mit den erfindungsgemäß größeren Spaltweiten zu einem synergistischen Effekt im Sinne einer beträchtlichen Herabsetzung der Wärmeerzeugung und des Drehmomentbedarfs bei mittlerem und hohem Ansaugdruck.In addition, the speed - as is well known - lowered at medium to high suction pressure below the speed which is provided at low suction pressure. Thereby, the time that is available for the return flow from a chamber, compared to the normal speed increases in proportion to the speeds. While this effect is not sufficient in known pumps, because there prevents the small gap width even at low speed falling in importance backflow, the speed reduction in conjunction with the inventively larger gap widths to a synergistic effect in terms of a significant reduction in heat generation and torque demand at medium and high suction pressure.

Die Erfindung vermeidet wirksam die Überverdichtung auch im Bereich von 200 bis 300 Millibar und macht dadurch eine Überdimensionierung von Kühlung und Antrieb unnötig. Es wird eine hohe innere Verdichtung ermöglicht, die bei niedrigen Saugdrücken Leistung und Kühlung verringert bzw. das Saugvermögen erhöht.The invention effectively avoids the over-compression even in the range of 200 to 300 millibars and thereby makes oversizing of cooling and drive unnecessary. A high internal compression is possible, which reduces power and cooling at low suction pressures or increases the pumping speed.

Obwohl der Verdränger mit einem hohen geometrischen Verdichtungsverhältnis ausgestattet ist, ist im mittleren und hohen Druckbereich (über 200 Millibar) die innere Verdichtung an der Saugseite so gering, dass die effektive innere Verdichtung und damit auch die Leistungsaufnahme wesentlich hinter der theoretischen Verdichtung, die man aufgrund des geometrischen Verdrängerverhältnisse errechnet, zurückbleibt. Hierdurch nimmt zwar das Saugvermögen bei hohen Drücken ab; dafür kann jedoch bei niedrigen Drücken, bei denen es hauptsächlich gebraucht wird, ein wesentlich höheres Saugvermögen bei niedriger Antriebsleistung erreicht werden. Da die innere Verdichtung nicht mehr allein durch die Geometrie der Verdränger, sondern auch durch das Verhältnis der saugseitigen Spaltströme zum theoretischen Saugvermögen bestimmt wird, ergibt sich auch die Möglichkeit, durch Reduzierung der Drehzahl (die mit einer Verringerung des theoretischen Saugvermögens gleichzusetzen ist) die innere Verdichtung (wenn auch auf Kosten des Saugvermögens) zusätzlich zu beeinflussen. Auch das Problem der Überverdichtung bei atmosphärenahem Druck wird dadurch wesentlich verringert.Although the displacer is equipped with a high geometric compression ratio, the internal compression at the suction side is so low in the medium and high pressure ranges (over 200 millibars) that the effective internal compression and thus the power consumption are significantly lower than the theoretical compression due to the geometric Verdrängerverhältnisse calculated, remaining. Although this decreases the pumping speed at high pressures; however, at low pressures, where it is mainly needed, a much higher pumping speed can be achieved with low drive power. Because the internal compression is no longer due solely to the geometry of the displacer, but also by the ratio the suction-side slit flows are determined to the theoretical pumping speed, there is also the possibility of additionally influencing the internal compression (although at the expense of the pumping speed) by reducing the speed (which is equivalent to a reduction in the theoretical pumping speed). Also, the problem of over-compression at atmospheric pressure is significantly reduced.

Claims

Dry-running positive displacement vacuum pump with a plurality of chambers which are arranged one behind the other and are closed off so as to leave leakage orifices, the volume of which chambers decreases from the suction side to the delivery side, characterized in that the leakage orifice cross section of at least one suction-side chamber is larger than that of a delivery-side chamber, and in that the different leakage orifice cross section is based at least partially on a different gap width.
Vacuum pump according to Claim 1, characterized in that it is a screw spindle pump, and the chambers are formed on the same spindles.
Vacuum pump according to Claim 1 or 2, characterized in that it is designed for a lower rotation speed at a medium and higher suction-side pressure than at a low suction-side pressure.