CH650562A5

CH650562A5 - MULTI-STAGE ROLLING PISTON PUMP FOR CONVEYING GASES.

Info

Publication number: CH650562A5
Application number: CH9441/80A
Authority: CH
Inventors: Juergen Steinmueller
Original assignee: Pfeiffer Vakuumtechnik
Priority date: 1979-12-21
Filing date: 1980-12-22
Publication date: 1985-07-31
Also published as: FR2472094A1; DE2951591A1; IT1134772B; BR8008319A; ZA807955B; FR2472094B1; JPS56132489A; AR223087A1; GB2065776B; GB2065776A; AU543259B2; AU6554980A; IT8026735A0; NL8002614A

Description

Die Erfindung betrifft eine Wälzkolbenpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a Roots pump according to the preamble of claim 1.

Für das Absaugen grosser Gasmengen, insbesondere zur Vakuumerzeugung, aber auch zum Umwälzen von Gasen bei relativ kleinen Druckdifferenzen werden trockenlaufende Wälzkolbenpumpen eingesetzt, die sich durch einen besonders günstigen Wirkungsgrad auszeichnen. Der Nachteil ist ihr geringes Kompressionsverhältnis. Daher können sie nur in Verbindung mit anderen Pumpentypen oder als Kombination von mehreren hintereinander geschalteten Wälzkolbenpumpen zur Vakuumerzeugung eingesetzt werden. For the extraction of large amounts of gas, especially for vacuum generation, but also for the circulation of gases with relatively small pressure differences, dry-running Roots pumps are used, which are characterized by a particularly favorable efficiency. The disadvantage is their low compression ratio. Therefore, they can only be used in conjunction with other pump types or as a combination of several Roots pumps connected in series for vacuum generation.

Bekannt ist eine zweistufige Wälzkolbenpumpe, bestehend aus zwei einstufigen Wälzkolbenpumpen, also 4 Kolben in einem Gehäuse. Abgesehen davon, dass hier lediglich zwei einstufige Pumpen hintereinander geschaltet wurden, ist diese Pumpe nur in einem begrenzten Druckbereich von 100 mbar bis 10-4 mbar einsetzbar, so dass ein Einsatz gegen Atmosphärendruck nur in Kombination mit mindestens einer weiteren geeigneten Pumpe möglich ist. A two-stage Roots pump is known, consisting of two single-stage Roots pumps, ie 4 pistons in one housing. Apart from the fact that only two single-stage pumps were connected in series here, this pump can only be used in a limited pressure range from 100 mbar to 10-4 mbar, so that use against atmospheric pressure is only possible in combination with at least one other suitable pump.

In der kanadischen Patentschrift Nr. 1040540 wird eine Rotationsmaschine mit einem Steuerkolben und zwei Arbeitskolben beschrieben. Diese Maschine ist in erster Linie zum Einsatz als Motor oder Kompressor vorgesehen. Zum Fördern von Gasmengen ist sie äusserst schlecht geeignet, da die Gase in den Arbeitsräumen komprimiert und anschliessend wieder expandiert werden. Canadian Patent No. 1040540 describes a rotary machine with a control piston and two working pistons. This machine is primarily intended for use as a motor or compressor. It is extremely unsuitable for conveying gas quantities, since the gases are compressed in the work rooms and then expanded again.

Dies ist für die reine Forderung von Gasen ein unnötiger Arbeitsgang, der einen nicht unerheblichen überflüssigen s Energieaufwand erfordert; aber auch bei der Verwendung als Motor oder Kompressor besitzt diese Maschine den Nachteil, dass die Massenverteilung der Kolben asymmetrisch zur Rotationsachse ist, was einem geräuscharmen und erschütterungsfreien Lauf entgegensteht. For the pure demand of gases, this is an unnecessary work step which requires a not inconsiderable unnecessary expenditure of energy; But even when used as a motor or compressor, this machine has the disadvantage that the mass distribution of the pistons is asymmetrical to the axis of rotation, which prevents quiet and vibration-free running.

io Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Pumpsystem, dessen Einsatzgebiet sich von 1000 mbar bis 10-4 mbar erstreckt, das bei hohen Drehzahlen einen ruhigen und erschütterungsfreien Lauf garantiert und in dem keine überflüssige Kompressionsarbeit geleistet wird, vorzustellen. 15 Dabei sollen die herausragenden Vorteile einer Wälzkolbenpumpe, die sich in einem hohen, spezifischen Saugvermögen und in einem trockenen Lauf ausdrücken, erhalten bleiben. The invention makes it its task to present a pump system whose field of application extends from 1000 mbar to 10-4 mbar, which guarantees smooth and vibration-free running at high speeds and in which no unnecessary compression work is carried out. 15 The outstanding advantages of a Roots pump, which is expressed in a high, specific pumping speed and in a dry run, should be retained.

Die Aufgabe wird gelöst entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1. In mehreren, durch Teilzy-20 linder begrenzten Schöpfräumen, die sternförmig um einen Steuerkolben angeordnet sein können, rotieren vorzugsweise gegenläufig zum Steuerkolben mehrere Arbeitskolben, die durch Zahnradpaare mit dem Steuerkolben gekoppelt sein können. Zwischen den Kolben sowie zwischen Kolben und 25 Gehäuse sind Spalte, so dass im Schöpfraum die bewegten Teile nicht aneinander reiben. Dadurch wird eine Schmierung im Arbeitsraum überflüssig, wodurch die Voraussetzung für einen trockenen Lauf gegeben ist. Die unvermeidliche Gasrückströmung durch die Spalte ist im Fein- und 30 Hochvakuumbereich unbedeutend, weil der Strömungswiderstand mit abnehmendem Druck wesentlich zunimmt. Lager und die zum Synchronlauf benötigten Zahnräder sitzen vorzugsweise ausserhalb des Schöpfraumes. Die Kolben besitzen vorzugsweise mindestens zwei Dichtleisten. 35 Eine dynamische Auswuchtung, die durch eine zur Rotationsachse symmetrische Massenverteilung der Kolben ermöglicht wird, bewirkt einen geräuscharmen und erschütterungsfreien Lauf. Ein guter, volumetrischer Wirkungsgrad wird durch die Wahl eines günstigen Kolbenprofils erreicht. 40 Entsprechend der Verdrängerwirkung ist die Förderung zwangsläufig und erfolgt von Stufe zu Stufe im Pumpengehäuse. The object is achieved in accordance with the characterizing part of claim 1. In a plurality of scoops, delimited by partial cylinders, which can be arranged in a star shape around a control piston, preferably several working pistons rotate in opposite directions to the control piston and can be coupled to the control piston by gear pairs. There are gaps between the pistons and between the pistons and the housing, so that the moving parts do not rub against each other in the pumping chamber. This eliminates the need for lubrication in the work area, which creates the conditions for a dry run. The unavoidable gas backflow through the gaps is insignificant in the fine and high vacuum range because the flow resistance increases significantly with decreasing pressure. Bearings and the gearwheels required for synchronous operation are preferably located outside the scooping area. The pistons preferably have at least two sealing strips. 35 Dynamic balancing, which is made possible by a symmetrical mass distribution of the pistons with respect to the axis of rotation, results in low-noise and vibration-free running. Good, volumetric efficiency is achieved by choosing an inexpensive piston profile. 40 According to the displacement effect, the delivery is inevitable and takes place from stage to stage in the pump housing.

Bei einer inneren Abstufung der einzelnen Pumpstufen, die durch eine unterschiedliche Drehzahl der Arbeitskolben 45 untereinander und/oder durch unterschiedliche Wälzkreisdurchmesser der Arbeitskolben erreicht werden kann, gleicht die Pumpe einem Pumpstand, bestehend aus mehreren Wälzkolbenpumpen mit unterschiedlichem Saugvermögen. Bei einer solchen Kombination ergeben sich hohe Energieeinspa-50 rungen beim Antrieb, ohne dass das Saugvermögen wesentlich gemindert wird. Die Anzahl der einzelnen Stufen und die Art der Abstufung richtet sich nach den jeweiligen Erfordernissen und ist nur konstruktiv begrenzt. With an internal gradation of the individual pump stages, which can be achieved by a different speed of the working pistons 45 among one another and / or by different pitch circle diameters of the working pistons, the pump resembles a pumping station, consisting of several Roots pumps with different pumping speeds. Such a combination results in high energy savings in the drive, without significantly reducing the pumping speed. The number of individual levels and the type of gradation depends on the respective requirements and is only limited in terms of design.

Die letzte oder die letzten Stufen einer mehrstufigen Wälz-55 kolbenpumpe können mit einer Gaskühlung ausgestattet sein. Das Kühlgas wird vorzugsweise durch einen Wasserkreislauf zusätzlich gekühlt. Damit erreicht man eine Verdichtung auf Atmosphärendruck ohne thermische Überlastungen. Somit kann die Pumpe im gesamten Arbeitsbereich 60 von 1000 mbar bis 10-4 mbar im Dauerbetrieb eingesetzt werden, ohne dass eine zusätzliche Vorpumpe benötigt wird. Da die 1. Stufe bei höheren Drücken zunächst mehr Gas aus-stösst, als die nächste Stufe wegsaugen kann, wird das überschüssige Gas durch ein Überdruckventil in die Atmosphäre 65 ausgestossen. The last or the last stages of a multi-stage roller 55 piston pump can be equipped with gas cooling. The cooling gas is preferably additionally cooled by a water circuit. This achieves compression to atmospheric pressure without thermal overloads. The pump can thus be used in continuous operation in the entire working range 60 from 1000 mbar to 10-4 mbar without the need for an additional backing pump. Since the first stage initially releases more gas at higher pressures than the next stage can suck away, the excess gas is expelled into the atmosphere 65 through a pressure relief valve.

Anhand der folgenden Zeichnungen soll die erfindungsge-mässe Pumpe und ihre Wirkungsweise näher erläutert werden. The pump according to the invention and its mode of operation will be explained in more detail with the aid of the following drawings.

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Fig. 1 Zweistufige Wälzkolbenpumpe Fig. 2 Dreistufige Wälzkolbenpumpe mit innerer Abstufung durch verschiedene Drehzahlen der Arbeitskolben und mit Überdruckventil Fig. 1 two-stage Roots pump Fig. 2 three-stage Roots pump with internal gradation by different speeds of the working pistons and with pressure relief valve

Fig. 3 Zweistufige Wälzkolbenpumpe mit innerer Abstufung durch verschiedene Wälzkreisdurchmesser Fig. 4 Zweistufige Wälzkolbenpumpe mit Gaskühlung Fig. 51-IV Arbeitsweise einer zweistufigen Wälzkolbenpumpe ohne innere Abstufung Fig. 3 Two-stage Roots pump with internal gradation through different pitch circle diameters. Fig. 4 Two-stage Roots pump with gas cooling. Fig. 51-IV Mode of operation of a two-stage Roots pump without internal gradation

Fig. 61-VIII Arbeitsweise einer dreistufigen Wälzkolbenpumpe mit innerer Abstufung und mit Gaskühlung. Fig. 61-VIII mode of operation of a three-stage Roots pump with internal gradation and with gas cooling.

Fig. 1 zeigt eine zweistufige Wälzkolbenpumpe, bei der sich in einem Pumpengehäuse 1 mit einer Einlassöffnung 2 und einer Auslassöffnung 3 ein Steuerkolben 4 und zwei Arbeitskolben 5 und 6 befinden. Die beiden Arbeitskolben 5 und 6 rotieren gegenläufig zum Steuerkolben 4 und bilden mit dem Gehäuse Schöpfräume 8 und 9. Das Gas wird von Stufe zu Stufe und schliesslich zur Auslassöffnung 3 transportiert. Zwischen den Arbeitskolben 5 und 6 und dem Gehäuse einerseits und den Arbeitskolben 5 und 6 und dem Steuerkolben 4 anderseits findet eine stetige Abdichtung statt, ohne dass es zu einer Berührung kommt. Der gegenläufige synchrone Lauf des Steuerkolbens 4 und der beiden Arbeitskolben 5 und 6 wird über 3 Zahnräder, die auf den verlängerten Wellenenden ausserhalb der Schöpfräume sitzen, erreicht. 1 shows a two-stage Roots pump, in which a control piston 4 and two working pistons 5 and 6 are located in a pump housing 1 with an inlet opening 2 and an outlet opening 3. The two working pistons 5 and 6 rotate in opposite directions to the control piston 4 and form scooping spaces 8 and 9 with the housing. The gas is transported from stage to stage and finally to the outlet opening 3. A constant sealing takes place between the working pistons 5 and 6 and the housing on the one hand and the working pistons 5 and 6 and the control piston 4 on the other hand, without any contact. The opposite synchronous running of the control piston 4 and the two working pistons 5 and 6 is achieved via 3 gears, which sit on the extended shaft ends outside the scoops.

Fig. 2 zeigt eine dreistufige Wälzkolbenpumpe mit innerer Abstufung. In dem Pumpengehäuse 1 mit der Einlassöffnung 2 und der Auslassöffnung 3 befinden sich ein Steuerkolben 4 und drei Arbeitskolben 5,6 und 7, die gegenläufig zum Steuerkolben 4 rotieren. Die innere Abstufung wird durch unterschiedliche Drehzahlen der Arbeitskolben erreicht. Die Drehzahlen der Arbeitskolben 5,6 und 7 verhalten sich wie 2 zu 3 zu 4. Dies kommt auch in den entsprechenden Kolbenprofilen zum Ausdruck. Fig. 2 shows a three-stage Roots pump with internal gradation. In the pump housing 1 with the inlet opening 2 and the outlet opening 3 there are a control piston 4 and three working pistons 5, 6 and 7, which rotate in opposite directions to the control piston 4. The internal gradation is achieved by different speeds of the working pistons. The speeds of the working pistons 5,6 and 7 behave like 2 to 3 to 4. This is also reflected in the corresponding piston profiles.

Damit in den Kanälen 20 und 22 beim Absaugen bei hohen Drücken kein Überdruck entsteht, wird die überschüssige Gasmenge über die Überdruckventile 26 und 27 in die Atmosphäre ausgestossen. So that no excess pressure arises in the channels 20 and 22 during suction at high pressures, the excess amount of gas is expelled into the atmosphere via the pressure relief valves 26 and 27.

Fig. 3 zeigt eine zweistufige Wälzkolbenpumpe mit dem Gehäuse 1, der Einlassöffnung 2, der Auslassöffnung 3, dem Steuerkolben 4, den Arbeitskolben 5 und 6 und den Schöpfräumen 8 und 9, bei der die innere Abstufung durch unterschiedliche Wälzkreisdurchmesser erreicht wird. Fig. 3 shows a two-stage Roots pump with the housing 1, the inlet opening 2, the outlet opening 3, the control piston 4, the working piston 5 and 6 and the scoops 8 and 9, in which the internal gradation is achieved by different pitch circle diameters.

Fig. 4 zeigt eine zweistufige Wälzkolbenpumpe mit Gaskühlung. In dem Pumpengehäuse 1 mit der Einlassöffnung 2 und der Auslassöffnung 3 befinden sich ein Steuerkolben 4 Fig. 4 shows a two-stage Roots pump with gas cooling. A control piston 4 is located in the pump housing 1 with the inlet opening 2 and the outlet opening 3

und zwei Arbeitskolben 5 und 6, die gegenläufig zum Steuerkolben 4 rotieren. Über die Kanäle 1 la und 1 lb kann Kühlgas in die Arbeitsräume der Arbeitskolben 6 und 7 eingelassen werden. Die breiten Köpfe 12 der Arbeitskolben s dienen zur Steuerung des Kühlgaseinlasses. Durch ein System von Wasserkammern 13,14 und 15, die Teil eines Wasserkreislaufes sind, wird das Kühlgas zusätzlich abgekühlt. and two working pistons 5 and 6, which rotate in opposite directions to the control piston 4. Cooling gas can be admitted into the working spaces of the working pistons 6 and 7 via the channels 1 la and 1 lb. The wide heads 12 of the working pistons s serve to control the cooling gas inlet. The cooling gas is additionally cooled by a system of water chambers 13, 14 and 15, which are part of a water cycle.

In Fig. 5 ist die grundsätzliche Arbeitsweise einer zweistu-lo figen Wälzkolbenpumpe ohne innere Abstufung dargestellt: 5 shows the basic mode of operation of a two-stage Roots pump without internal gradation:

Phase I - Der Arbeitsraum 8 steht mit der Einlassöffnung 2 in Verbindung und saugt bei Drehung der Kolben 4,5 und 6 Gas bei dem Druck PI an. Phase I - The work space 8 communicates with the inlet opening 2 and sucks gas at the pressure PI when the pistons 4, 5 and 6 rotate.

ls Phase II - Der Arbeitsraum 8 ist sowohl gegen die Einlassöffnung 2 als auch gegen den Kanal 17 abgeschlossen. Phase II - The work space 8 is closed both against the inlet opening 2 and against the duct 17.

Phase III - Über den Kanal 17 wird das Gas in den sich bildenden Arbeitsraum 9 gefördert. Phase III - The gas is conveyed into the working space 9 which is formed via the duct 17.

Phase IV - Der Arbeitsraum 9 ist sowohl gegen die Auslassöffnung 3 als auch gegen den Kanal 17 abgeschlossen. Phase IV - The work space 9 is closed both against the outlet opening 3 and against the duct 17.

Phase V - Der Arbeitsraum 9 steht mit der Auslassöffnung 3 in Verbindung. Das Gas wird gegen den Druck P2 ausgestossen. Phase V - The work space 9 is connected to the outlet opening 3. The gas is expelled against pressure P2.

25 In Fig. 6 ist die grundsätzliche Arbeitsweise einer dreistufigen Wälzkolbenpumpe mit innerer Abstufung und mit Gaskühlung dargestellt: 25 The basic mode of operation of a three-stage Roots pump with internal gradation and with gas cooling is shown in FIG. 6:

Phase I - Der Arbeitsraum 8 steht mit der Einlassöffnung 2 30 in Verbindung und saugt bei Drehung der Kolben 4,5,6 und 7 Gas mit dem Druck PI an. Phase I - The work space 8 is connected to the inlet opening 2 30 and sucks gas with the pressure PI when the pistons 4, 5, 6 and 7 rotate.

Phase II - Der Arbeitsraum 8 ist sowohl gegen die Einlassöffnung 2 als auch gegen den Kanal 20 abgeschlossen. Phase II - The work room 8 is closed both against the inlet opening 2 and against the channel 20.

Phase III - Über den Kanal 20 wird das Gas in den sich bil-35 denden Arbeitsraum 9 gefördert. Phase III - The gas is conveyed into the forming work space 9 via channel 20.

Phase IV - Der Arbeitsraum 9 ist sowohl gegen den Kanal 20 als auch gegen den Kanal 22 abgeschlossen. Das Gas steht unter dem Druck P2. Phase IV - The work room 9 is closed against both the channel 20 and channel 22. The gas is under pressure P2.

Phase V - Über den Kanal 22 wird das Gas in den sich bil-40 denden Arbeitsraum 10 gefördert. Phase V - The gas is conveyed into the forming work space 10 via the channel 22.

Phase VI - Der Arbeitsraum 10 ist sowohl gegen den Kanal 22 als auch gegen die Auslassöffnung 3 abgeschlossen. Das Gas steht unter dem Druck P3. Phase VI - The work space 10 is closed both against the channel 22 and against the outlet opening 3. The gas is under pressure P3.

Phase VII - Der Arbeitsraum 10 wird über den Kanal 11 45 und den Kühler 25 mit kaltem Gas auf den Druck P4 aufgefüllt. Phase VII - The work space 10 is filled via the channel 11 45 and the cooler 25 with cold gas to the pressure P4.

Phase VIII - Über die Auslassöffnung 3 wird das Gas ausgestossen. Phase VIII - The gas is expelled through the outlet opening 3.

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6 Blatt Zeichnungen 6 sheets of drawings

Claims

650562 PATENTANSPRÜCHE650562 PATENT CLAIMS

1. Mehrstufige Wälzkolbenpumpe zur Förderung von Gasen mit einem Steuerkolben und dazu parallel zwei oder mehr Arbeitskolben, die sich berührungslos in Teilzylindern drehen und mit diesen Schöpfräume bilden, wobei zwischen Steuerkolben und Arbeitskolben eine stetige Abdichtung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Stufen hintereinander geschaltet sind und aus Kolben mit einer zur Rotationsachse symmetrischen Massenverteilung bestehen und dass das Gas nur nach dem Verdrängerprinzip innerhalb einer Stufe transportiert wird. 1.Multi-stage Roots pump for conveying gases with a control piston and, in parallel, two or more working pistons, which rotate contactlessly in partial cylinders and form with these scoops, whereby there is a constant seal between the control piston and the working piston, characterized in that the individual stages are in series are switched and consist of pistons with a mass distribution symmetrical to the axis of rotation and that the gas is only transported according to the displacement principle within one stage.

2. Wälzkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Pumpstufen ein unterschiedliches Saugvermögen aufweisen. 2. Roots pump according to claim 1, characterized in that the individual pump stages have a different pumping speed.

3. Wälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung unterschiedlicher Saugvermögen die Arbeitskolben mit verschiedenen Drehzahlen angetrieben sind. 3. Roots pump according to claims 1 and 2, characterized in that the working pistons are driven at different speeds to achieve different pumping speeds.

4. Wälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung unterschiedlichen Saugvermögens die Arbeitskolben verschiedene Wälzkreisdurchmesser aufweisen. 4. Roots pump according to claims 1 and 2, characterized in that the working pistons have different pitch circle diameters to achieve different pumping speeds.

5. Wälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung unterschiedlichen Saugvermögens die Arbeitskolben mit verschiedenen Drehzahlen angetrieben sind und verschiedene Wälzkreisdurchmesser aufweisen. 5. Roots pump according to claims 1 and 2, characterized in that in order to achieve different pumping speeds, the working pistons are driven at different speeds and have different pitch circle diameters.

6. Wälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskolben sternförmig um den Steuerkolben angeordnet sind. 6. Roots pump according to claims 1 to 5, characterized in that the working pistons are arranged in a star shape around the control piston.

7. Wälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Stufen mit einer Gaskühlung ausgerüstet sind. 7. Roots pump according to claims 1 to 6, characterized in that one or more stages are equipped with gas cooling.

8. Wälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Kühlgases ein Wasserkreislauf vorgesehen ist. 8. Roots pump according to claims 1 to 7, characterized in that a water circuit is provided for cooling the cooling gas.

9. Wälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Stufen Überdruckventile eingebaut sind. 9. Roots pump according to claims 1 to 8, characterized in that pressure relief valves are installed between the individual stages.