DE19530662A1

DE19530662A1 - Schraubenvakuumpumpe

Info

Publication number: DE19530662A1
Application number: DE19530662A
Authority: DE
Inventors: Kisu Im
Original assignee: KOWELL PRECISION CO
Current assignee: KOWELL PRECISION CO
Priority date: 1994-08-22
Filing date: 1995-08-21
Publication date: 1996-02-29
Also published as: GB9515792D0; FR2723766B1; US5667370A; KR0133154B1; ITRM950571A0; ITRM950571A1; GB2292589A; IT1277912B1; GB2292589B; FR2723766A1; JPH0874765A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubenvakuumpumpe bzw. Schrau benspindelpumpe bzw. einen Schraubenschaufler und betrifft insbesondere eine Schraubenvakuumpumpe mit positivem Saugvermögen bzw. positiver Verdrän gung, die ausgelegt ist, einen einstufigen Schraubenrotor zu beinhalten und die verbrauchte Leistung in einem Bereich hohen Vakuums zu reduzieren.

Vakuumpumpen werden in unterschiedlichen technischen Bereichen bereits eingesetzt, zum Beispiel bei der Halbleiterherstellung, in der Metallurgie, der chemischen Industrie und dgl.

Unter den bekannten Vakuumpumpen sind eine wassergedichtete Vakuumpum pe, eine Vakuumpumpe vom Root′s-Typ, eine Vakuumpumpe vom Schraubentyp und eine Vakuumpumpe vom Saugstrahltyp bzw. Dampfstrahltyp beispielsweise bekannt.

Bei der wassergedichteten Vakuumpumpe werden Fremdkörper von einer An saugöffnung zu einer Ausgabeöffnung geführt unter der Bedingung, daß sie während der Gewinnung des Vakuums direkt mit Wasser kontaktiert werden. Daher kann die wassergedichtete Vakuumpumpe in der Raffinationsindustrie bzw. Aufbereitungsindustrie, z. B. der Halbleiterherstellung, der pharmazeuti schen Industrie und dgl. nicht erfolgreich eingesetzt werden, da dort der Eintrag von Verunreinigungen verboten ist. Dementsprechend ist eine Vakuumpumpe vom Trockentyp oder vom wasserfreien Typ eingesetzt worden, um zu gewähr leisten, daß das zu vakuisierende Gas sich nicht in Kontakt mit Wasser befindet.

Obwohl dieser Typ von Vakuumpumpe in einem mittleren Vakuumbereich einsetzbar ist, ist er jedoch nicht geeignet zur Verwendung in einem niedrigen Vakuumbereich (unterhalb 400 Torr), da der Austritt bzw. das Leck von Gas aus einem Bereich zwischen den Rotoren ansteigt und die Gastemperatur erheblich erhöht, was zu einem Verbrennen der Rotoren führt.

Um die Nachteile der wasserfreien Vakuumpumpe zu lösen, ist eine mehrstufige Schraubenvakuumpumpe vorgeschlagen worden, um die Erzeugung von Wärme und somit das Anbrennen der Rotoren zu vermeiden. Obwohl diese mehrstufige Schraubenvakuumpumpe geeignet ist zur Verwendung in einem geringen Vaku umbereich bis in einen hohen Vakuumbereich hinein, hat sie einige Nachteile darin, daß die Vorrichtung nicht einfach aufgebaut ist, kostenaufwendig gefertigt werden muß und der für eine gegebene Pumpenkapazität erforderliche Raumbe darf erhöht ist.

Fig. 6 zeigt eine herkömmliche mehrstufige Vakuumpumpe vom Root′s-Typ. Das Pumpengehäuse besitzt drei Kammern, die durch Teilungswände getrennt sind. Ein Paar von Wellen 20 innerhalb der Kammern sind an drei Rotoren befestigt, d. h. einem Erststufenrotor 21, einem Zweitstufenrotor 22 bzw. einem Dritt stufenrotor 23. Diese Rotoren haben Breiten, die mit einem geometrischen Verhältnis abnehmen. Das Pumpengehäuse besitzt einen Erststufen-Einlaßan schluß 24, einen Zweitstufen-Einlaßanschluß 26 und einen Drittstufen-Einlaß anschluß 28 an einer Seite des Gehäuses. An der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses ist ein Erststufen-Auslaßanschluß 25, ein Zweitstufen-Auslaßanschluß 27 und ein Drittstufen-Auslaßanschluß 29 vorgesehen, wobei jeder von diesen mit dem entsprechenden Einlaßanschluß in Verbindung steht. Die Anordnung ist vereinfacht und der Platzbedarf ist durch Verwendung vereinheitlichter Schrau benrotoren vermindert worden.

Ein mit der mehrstufigen Vakuumpumpe vom Root′s-Typ verbundenes Problem besteht jedoch darin, daß diese Pumpe zu einer erheblichen Verminderung der Pumpeneffizienz neigt. Aus diesem Grund ist der Einsatz der mehrstufigen Vakuumpumpe vom Root′s-Typ stark beschränkt.

Es besteht daher ein Bedarf nach einer verbesserten Vakuumpumpe, die geeignet ist, eine wirksame Pumpleistung bei relativ hohem Druck zu liefern.

Fig. 7 zeigt eine mehrstufige Schraubenvakuumpumpe aus der offengelegten japanischen Patentanmeldung 63-36086, die vorgeschlagen wurde, um diese Anforderungen zu erfüllen. Das Gehäuse weist eine Rotorkammer auf mit einer ersten Ansaugöffnung 37 und einer ersten Auslaßöffnung 38 (eingekreist durch abwechselnd lang- bzw. zwei kurzgepunktete Linien) und eine zweite Ansaugöff nung 39 und eine zweite Auslaßöffnung 40 (eingefaßt durch jeweils eine unter brochene Linie), sowie ein erstes Paar eines männlichen Schraubenrotors 32 und eines weiblichen Schraubenrotors 33, die miteinander kämmen und in der Rotorkammer drehbar gelagert sind, ein zweites Paar eines männlichen Schrau benrotors 34 und eines weiblichen Schraubenrotors 35, wobei der Abstand bzw. die Teilung oder Steigung P₂ dieser Schraubenrotoren kleiner bzw. kürzer ist als der Abstand P₁ des ersten Paars von Schraubenrotoren 32 und 33. Alle gewin deten Abschnitte der Schraubenrotoren haben die Form eines Bogens 50, einer archimedischen Kurve 51 und einer Epitrochoide 52.

Jedoch haben die Schrauben der offengelegten japanischen Patentanmeldung 63-36086 eine konstante Steigung derart, daß keine Tendenz besteht, das Gas längs der Länge der Schraube zu komprimieren und daher ist die Pumpe un geeignet für die Anwendung in einem relativ hohen Vakuumbereich. Darüber hinaus hat die Pumpe doppelstufige Schraubenrotoren, so daß die Anordnung aufwendig ist, erhöhten Raumbedarf hat und die Kosten erhöht sind.

Es besteht somit Bedarf nach einer einstufigen ölfreien Vakuumpumpe, die geeignet ist zur Verwendung über einen niedrigen Vakuumbereich bis in einen hohen Vakuumbereich hinein.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schraubenvakuumpumpe zu liefern, die einen weiten Vakuumbereich mit einer großen Effizienz unter Verwendung eines einstufigen Schraubenrotors erzielt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schraubenvakuum pumpe zu liefern, welche die verbrauchte Leistung im Vergleich zu eine her kömmlichen Schraubenpumpe senkt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schraubenvakuum pumpe anzugeben, die mit einer verminderten Anzahl von Bauteilen hergestellt werden kann, wodurch der Raumbedarf sinkt.

Erfindungsgemäß wird eine Schraubenpumpe angegeben, die ein Gehäuse aufweist, welches eine Kammer definiert, wenigstens einen Einlaß und wenig stens einen Auslaß für den Zutritt von Gas in und die Abgabe von Gas aus der Kammer, sowie ein Paar von kämmenden Schraubenelementen, die drehbar in der Kammer gelagert sind, um das Gas von dem Einlaß zum Auslaß zu trans portieren, wobei die Steigung der Schraubenelemente von deren Einlaßende zu deren Auslaßende abnimmt, um die Kompression des abzugebenden Gases zu veranlassen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen den Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht der Schraubenvakuumpumpe gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Aufrißansicht des Rotors der Schraubenvakuumpumpe gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine axiale Ansicht des gewindeten Abschnitts des Rotors, wie er in der Erfindung verwendet wird.

Fig. 4 ist ein Druck/Volumendiagramm für die Pumpe gemäß der Erfindung.

Fig. 5 ist ein Arbeit/Druckdiagramm für die Pumpe gemäß der Erfindung.

Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Vakuumpumpe vom Root′s-Typ.

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen zweistufigen Schrauben vakuumpumpe.

Es wird Bezug genommen auf die Fig. 1 und 2, welche eine einstufige Schraubenvakuumpumpe sowie Rotoren 4 und 5 für die vorliegende Erfindung zeigen. Es ist ein Gehäuse 1 gezeigt, welches Bauteile beinhaltet, die eine Pumpe aufweisen.

Das Gehäuse 1 weist an seinem Ende eine Einlaßöffnung 2 auf, eingefaßt durch abwechselnd lang und zwei kurzgestrichelte Linien, die mit einer Einrichtung verbunden ist, die evakuierbar ist, um das Gas durch die Einlaßöffnung 2 zu saugen, und an dem anderen Ende des Gehäuses 1 ist eine Auslaßöffnung 3 vorgesehen, um das angesaugte Gas von der Pumpe nach außen abzugeben. In dem Gehäuse 1 sind zwei Schraubenrotoren 4 und 5 befestigt, die in kämmen dem Eingriff miteinander angeordnet sind, wobei ein im wesentlichen verschwin dender innerer Arbeitsspalt vorgesehen ist und der Fluß des Gases längs der Schraubenrotoren 4 und 5 ermöglicht wird.

Die Steigung der Schraube kann sich längs der Länge der Schrauben verändern oder alternativ kann die Steigung der Schrauben von ihrem Einlaßende zu ihrem Auslaßende abnehmen.

Die Schraubenrotoren 4 und 5 sind drehbar in Motorsteuerungsrädern bzw. Zeitgaberädern bzw. Zahnrädern 6 und 7 an deren einem Ende gelagert, und zwar in kämmendem Eingriff, um zu gewährleisten, daß die Schraubenrotoren 4 und 5 mit derselben Geschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen sich drehen.

Um in dem normalen Betrieb der Pumpe Fluid von einem Einlaßanschluß zu einem Auslaßanschluß zu fördern, der im Gehäuse gebildet ist, wird der An triebsrotor 4 drehbar angetrieben von einem geeigneten Motor (nicht gezeigt), und der angetriebene Rotor 5 wird ferner gedreht mit derselben Drehzahl durch die Zahnräder 6 und 7, was gewährleistet, daß die Schraubenrotoren 4 und 5 mit derselben Drehzahl sich drehen.

Da wie in Fig. 2 gezeigt jeder Schraubenrotor 4 und 5 längs seiner Länge eine kontinuierliche Steigungsänderung aufweist, kann das gepumpte Gas bei dem Übergang zwischen den gewindeten Abschnitten der Schraubenrotoren 4 und 5 komprimiert werden. Die Steigerung der Schraubenrotoren 4 und 5 kann kon tinuierlich längs der Schraubenrotoren 4 und 5 reduziert werden.

Daher ist ein gewünschtes Kompressionsverhältnis der verbesserten einstufigen Schraubenvakuumpumpe erreichbar. Es sind Endplatten 8 und 9 gezeigt, die nicht im Detail beschrieben werden, welche Schraubenrotoren 4 und 5 halten. Ein Enddeckel 10 ist gezeigt, in dem ein Schmieröl aufbewahrt wird. Ferner ist ein Ölspritzblech gezeigt, um das Schmieröl einem Lager zuzuführen.

Wie oben beschrieben hat die Pumpe gemäß der Erfindung den Vorteil, daß sie eine Volumenänderung (Kompression) des während des Durchgangs längs des Schraubenrotors angesaugten Gases bewirkt. Die Volumenänderung des Gases, d. h. das Volumenverhältnis V_i, kann wie folgt ausgedrückt werden:

wobei V₁ ein Volumen des Gases an dem Einlaßende ist und V₂ ein Volumen des Gases gerade vor dem Auslaß zu der Auslaßöffnung ist.

Bei der Veränderung des Volumens des gesaugten Gases ist es klar, daß eine Veränderung in dem Druck des Gases ebenfalls stattfinden kann, welches in dem Gehäuse abgegeben wird. Wenn die Druckänderung, Druckverhältnis π_i genannt, in dem Gehäuse adiabatisch stattfindet, kann das Druckverhältnis π_i wie folgt ausgedrückt werden:

π_i = k · V_i

wobei k eine Gaskonstante ist.

Das Druck/Volumendiagramm von Fig. 4 zeigt eine Arbeit bzw. Energie, die durch das Pumpensystem geleistet wird, die ausgedrückt wird als die Fläche der schraffierten Gebiete W₁ und W₂. Somit kann die Gesamtarbeit N, durch das System geleistet, durch die Gleichung bestimmt werden:

N = W₁ + W₂

oder

Da W₁ und W₂ durch die folgenden Gleichungen

und

bestimmt werden können, kann die Gesamtarbeit N, die von dem Pumpensy stem geleistet wird, umgeschrieben werden als

wobei, da P₂ als Atmosphärendruck konstant ist, die Gleichung ausgedrückt werden kann wie folgt:

N = C₁ · P₁ + C₂.

Wenn man berücksichtigt, daß C₁ und C₂ Konstante sind, kann die Bedingung, in der die gesamte geleistete Arbeit immer konstant ist, ausgedrückt werden als C₁ = 0. Dementsprechend wird die folgende Gleichung erhalten:

π_i ^(k-1)/k - k = 0

oder

π_i = k^k/(k-1).

Unter Annahme, daß das gepumpte Gas Luft ist, ist sodann k = 1,4 und π_i = 3,2.

Fig. 5 zeigt ein Arbeit/Druckdiagramm für die Pumpe gemäß der Erfindung, geplottet unter den Bedingungen von C₁ < 0, C₁ = 0 beziehungsweise C₁ < 0.

Die unter diesen drei Bedingungen ausgedrückte Arbeit kann auf die folgenden Arten interpretiert werden:

Wenn C₁ Null ist, hat die geleistete Arbeit eine konstante Größe trotz einer Änderung des Drucks.

Wenn C₁ einen Wert kleiner als 0 hat, ist die in der ursprünglichen Stufe gelei stete Arbeit als ein relativ großer Wert dargestellt. Je mehr der Druck in der Zwischenzeit erhöht wird, desto weniger Arbeit wird benötigt. Somit kann unter dem Zustand C₁ < 0 die Pumpe erfolgreich auf einen Hochvakuumbereich angewendet werden.

In dem dritten Zustand C₁ < 0 wird die geleistete Arbeit zunehmend von einem ursprünglichen Pumpbetrieb zu einem letzten Pumpbetrieb verringert, so daß die Pumpe auf einen hohen Vakuumbereich angewendet werden kann.

Mit den obigen Beziehungen können die folgenden Interpretationen vorgenom men werden:

(1) π_i ist eine Funktion der geleisteten Arbeit. Wenn somit π_i verändert wird, kann die geleistete Arbeit modifiziert werden.
(2) Wenn die geleistete Arbeit konstante Werte von dem ursprünglichen Atmosphärendruckbereich bis in einen endgültigen Zielvakuumbereich behält, dann ist π_i gleich k^k/k-1 und π_i von Luft hat einen Wert von 3,2. Einige Modifikationen sind jedoch erforderlich, um den Strömungswider stand zu überwinden, der in einem Auslaßanschlußbereich des Pumpensy stems erzeugt wird.
(3) Wenn π_i erhöht wird, kann die in dem hohen Vakuumbereich erzielte Arbeit auf einem minimalen Wert gehalten werden.

Um dementsprechend eine Pumpe zu schaffen, die eine minimale geleistete Arbeit in einem hohen Vakuumbereich liefert, ist es notwendig, die Kapazität Q der Pumpe zu betrachten. Die Kapazität Q der Pumpe wird unter Verwendung der folgenden Gleichungen bestimmt:

und

L = π · D · tan α

wobei Q ein Raumvolumen ist, das zwischen den benachbarten Zähnen des Schraubenrotors gebildet wird, D ein Außendurchmesser des Schraubenrotors ist, d ein Innendurchmesser des Schraubenrotors, π das Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu seinem Durchmesser ist, L ein Steigungsabstand des Schrau benrotors ist, und α ein Winkel des Zahnes ist.

Wenn die Leistungskapazität der Pumpe durch die obigen Beziehungen bezeich net wird, kann man finden, daß die Kapazität der Pumpe eine Funktion des Steigungsabstands ist und somit eine Funktion des Winkels der Zähne des Schraubenrotors ist.

Die genannten obigen Relationen können wie folgt beschrieben werden:

und

sodann ist es möglich, die obigen Beziehungen zu schreiben als

oder

wobei Q_s das Volumen des Raumes ist, das gebildet ist zwischen benachbarten Zähnen an dem Einlaßende, Q_d das Volumen des Raumes ist, das gebildet ist zwischen den benachbarten Zähnen an dem Auslaßende, α₁ der Winkel des Zahns an dem Einlaßende ist, α₂ der Winkel des Zahns an dem Auslaßende ist. Wenn der Zahn der Pumpe eine kontinuierliche Steigungsänderung längs seiner Länge hat, ist die Beziehung zwischen Q_d und Q_s allgemein bestimmt zu Q_d < Q_s.

Wie man aus den zuvor genannten Beziehungen sieht, kann, wenn einmal ein Kompressionsverhältnis π_i gefunden ist, die Steigungslänge bestimmt werden, und die kontinuierliche Abnahme des Steigungsabstandes ist bestimmend für eine Änderung von tan α.

Für gegebene Werte von tan α kann man aus den obigen Gleichungen entneh men, daß die kontinuierliche Abnahme des Steigungsabstands erreicht werden kann.

Für gegebene Werte von π_i, welche unter der Bedingung C₁ = 0 gefunden werden, ist zu ersehen, daß der Wert des Volumenverhältnisses V_i größer sein sollte als der von π_i/k, wobei π_i berechnet wird unter der Bedingung C₁ = 0, so daß die Verminderung des Leistungsverbrauchs in dem hohen Vakuumbereich er reicht werden kann.

Es ist zu beachten, daß in Anbetracht der Beziehungen, die für die vorgewählten Zustände gelten, die kontinuierliche Änderung des Steigungsabstands erzeugt werden kann, so daß die laut Verminderung des Leistungsverbrauchs, wenn die Pumpe im Hochvakuumbereich betrieben wird, erreicht werden kann.

Durch Verwenden eines einstufigen Schraubenrotors ist die Anordnung gemäß der Erfindung sehr vereinfacht, so daß der Raumbedarf vermindert werden kann im Vergleich zu einer herkömmlichen vielstufigen Schraubensaugpumpe.

Claims

1. Schraubenpumpe mit einem Gehäuse, welches eine Kammer definiert, wenigstens einem Einlaß und einem Auslaß für den Gaszutritt in und die Abgabe von Gas aus der Kammer, sowie einem Paar von in kämmendem Eingriff stehenden Schraubenelementen, die drehbar in der Kammer gelagert sind, um Gas von dem Einlaß in den Auslaß zu transportieren, wobei die Steigung der Schraubenelemente von ihrem Einlaßende zu ihrem Auslaßende abnimmt, um eine Kompression des abzugebenden Gases zu veranlassen.

2. Schraubenpumpe nach Anspruch 1, wobei die kontinuierliche Änderung oder die kontinuierliche Verminderung des Steigungsabstands von dem Einlaßende zu dem Auslaßende durch Einhaltung der folgenden Beziehung erzeugt werden kann: Steigung an dem Auslaßende/Steigung an dem Einlaßende < π_i/kwobei π_i das Druckverhältnis ist, berechnet unter den Bedingungen, daß der Betrieb durchgeführt wird in einem adiabatischen Verfahren und die geleistete Arbeit konstant ist (C₁ = 0), und k eine Gaskonstante ist.

3. Schraubenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Form der Zähne des Schraubenrotors eine epitrochoidale und/oder archimedische Kurve auf weist.