DE2951591A1 - Mehrstufige waelzkolbenpumpe - Google Patents

Description

ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GPIBH 2951591

ASSLAR

Mehrstufige Uälzkolbenpumpe

Die Erfindung betrifft eine Uälzkolb.enpumps mit einem Steuerkolben und dazu zuei oder mehr Arbeitskolben mit einer zur Rotationsachse symmetrischen Massenverteilung, dia zuei oder mehr hintereinander geschaltete Pumpstufen bilden und von denen das Gas nur nach dem Verdrä'ngerprinzip von einer Stufe in die nächste transportiert wird. Dabei können die einzelnen Stufen unterschiedliches Saugvermögen aufweisen.

Für das Absaugen groQer Gasmengen, insbesondere zur Vakuumerzeugung, aber auch zum Umuälzen von Gasen bei relativ kleinen Druckdifferenzen werden trocken-laufende Uälzkolbenpumpen 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 Uälzkolbenpumpen zur Vakuumerzeugung eingesetzt werden.

Bekannt ist eine zweistufige Uälzkolbenpumpe, bestehend aus zuei einstufigen Uälzkolbenpumpen, also 4 Kolben in einem Gehäuse. Abgesehen davon, daß hier lediglich zwei einstufige Pumpen hintereinander geschaltet wurden, ist diese Pumpe nur

-4 in einem begrenzten Druckbereich von 100 mbar bis 1G mbar einsetzbar, so daß ein Einsatz gegen Atmosphärendruck nur in Kombination mit mindestens einer weiteren geeigneten Pumpe möglich ist.

In der kanadischen Patentschrift Nr. 104054Π 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 -^rbeitsräumen komprimiert und anschließend wieder expandiart

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Dies ist für die reine Förderung von Gasen ein unnötiger Arbeitsgang, der einen nicht unerheblichen überflüssigen Enargieaufuand erfordert; aber auch bei der Verwendung als Motor oder Kompressor besitzt diese naschine den Nachteil, daß die Hassenverteilung der Kolben assymmetrisch zur Rotationsachse ist, uas einem geräuscharmen und erschütterungsfreien Lauf entgegensteht.

Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Pumpsystem, dessen

-4 Einsatzgebiet sich von 1000 mbar bis 10 mbar erstreckt, das bei hohen Drehzahlen einen ruhigen und erschütterungsfreien Lauf garantiert und in dem keine überflüssige Kompressionsarbeit geleistet uird, vorzustellen. Dabei sollen die herausragenden Vorteile einer Uälzkolbenpumpe, die sich in einem hohen, spezifischen Saugvermögen und in einem trockenen Lauf ausdrücken, erhalten bleiben.

Die Aufgabe uird gelöst durch eine mehrstufige Uälzkolbenpumpe, dis in ihrem Aufbau wesentlich von der bisher bekannten zweistufigen Uälzkolbenpumpe abweicht. In mehreren, durch Halbzylinder begrenzten Schöpfräumen,die sternförmig um einen Steuerkolben angeordnet sind, rotieren gegenläufig zum Steuerkolben mehrere Arbeitskolben, die durch Zahnradpaare mit dem Steuerkolben gekoppelt sind. Zwischen den Kolben sowie zwischen Kolben und 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 Hochvakuumbereich unbedeutend, weil der Strömungswiderstand mit abnehmendem Druck wesentlich zunimmt. Die Lager und die zum Synchronlauf benötigten Zahnräder sitzen außerhalb des Schöpfraumes. Die Kolben besitzen mindestens zwei Dichtleisten. Eine dynamische Auswuchtung, die durch eine zur Rotationsachse symmetrischen Massenverteilung der Kolben ermöglicht wird, bewirkt einen geräuscharmen und erschütterungsfreien Lauf. Ein guter, volumetrischer Wirkungsgrad wird durch die Wahl eines günstigen Kolbenprofils erreicht. ...

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Entsprechend der Verdrängaruirkung ist

die Förderung zwangsläufig und erfolgt von Stufe zu Stufe im Pump' ngehäuse.

Durch eine innere Abstufung der einzelnen Pumpstufen, dia durch eine unterschiedliche Drehzahl der Arbeitskolben untereinander und/oder durch unterschiedliche Uälzkreisdurchmesser der Arbeitskolben erreicht uird, gleicht die Pumpe einem Pumpstand, bestehend aus mehreren Uälzkolbenpumpen mit unterschiedlichem Saugvermögen. Bei einer solchen Kombination ergeben sich hohe Energieeinsparungen beim Antrieb, ohne daß das Saugv/ermögen wesentlich gemindert wird. Die Anzahl der einzelnen Stufen und die Art der Abstufung richtet sich nach den jeueiligen Erfordernissen und ist nur konstruktiv begrenzt.

Die letzte oder die letzten Stufen einer mehrstufigen Uälzkolbenpumpe können mit einer Gaskühlung ausgestattet sein. Das Kühlgas wird durch einen Wasserkreislauf zusätzlich gekühlt. Damit erreicht man eine Verdichtung auf Atmosphärendruck ohne thermische Überlastungen. Somit kann die Pumpe im

-4

gesamten Arbeitsbereich von 1000 mbar bis 10 mbar im Dauerbetrieb eingesetzt werden, ohne daß eine zusätzliche Vorpumpe benötigt wird. Da die 1. Stufe bei höheren Drücken zunächst mehr Gas ausstößt, als die nächste Stufe wegsaugen kann, wird das überschüssige Gas durch ein Überdruckventil in die Atmosphäre ausgestoßen.

Anhand der folgenden Zeichnungen soll die erfindungsgemäße Pumpe und ihre wirkungsweise näher erläutert werden.

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Fig. 1

Zueistufige Uälzkolbenpumpe

Fig. 2

Dreistufiga Uälzkolbenpumpe mit innerer Abstufung durch verschiedene Drehzahlen der Arbaitskolben und mit überdruckventil

Fig. 3

Zueistufige Uälzkolbenpumpe mit innerer Abstufung durch verschiedene Uälzkreisdurchmesser

Fig. 4

Zueistufige Uälzkolbenpumpe mit Gaskühlung

Fig. 5 I - IV

Arbeitsueise einer zweistufigen Uälzkolbenpumpe ohne innere Abstufung

Fig. 6 I - VIII

Arbeitsueise einer dreistufigen Uälzkolbenpumpe mit innerer Abstufung und mit Gaskühlung

Fig. 1 zeigt eine zueistufige Uälzkolbenpumpe, bei der sich in einem Pumpengehäuse 1 mit einer Einlaßöffnung 2 und einer AuslaQöffnung 3 ein Steuerkolben 4 und zuei Arbeitskolben and 6 befinden. Die beiden Arbeitskolben 5 und 6 rotieren gegenläufig zum Steuerkolben 4 und bilden mit dem Gehäuse Schöpfräume 8 und 9. Das Gas uird von Stufe zu Stufe und schließlich zur AuslaQöffnung 3 transportiert. Zwischen den Arbeitskolben 5 und 6 und dem Gehäuse einerseits und den Arbeitskolben 5 und 6 und dem Steuerkolben 4 andererseits findet oine stetige Abdichtung statt, ohne daß es zu einer Berührung kommt. Der gegenläufige synchrone Lauf des Steuerkolbens 4 und der beiden Arbeitskolben 5 und 6 uird über 3 Zahnräder, die auf den verlängerten Uellenenden außerhalb der Schöpfräume sitzen, erreicht'.

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Fig. 2 zeigt eine dreistufige Uälzkolbenpumpe mit innerer Abstufung, In dem Pumpengehäuse 1 mit der Einlaßöffnung 2 und der AuslaGöffnung 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.

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.

Fig. 3 zeigt eine zweistufige Uälzkolbenpumpe mit dem Gehäuse 1, der EinlaSöffnung 2, der Auslaßöffnung 3, dem Steuerkolben 4, den Arbeitskolben S und 6 und den Schöpfräumen 8 und 9, bei der die innsre Abstufung durch unterschiedliche Uälzkreisdurchmesser erreicht uird.

Fig. 4 zeigt eine zweistufige Uälzkolbenpumpe mit Gaskühlung. In dem Pumpengehäuse 1 mit der Einlaßöffnung 2 und der Auslaßöffnung 3 befinden sich ein Steuerkolben 4 und zuei Arbeitskolben 5 und 6, die gegenläufig zum Steuerkolben 4 rotieren. Über die KanäleHa und 11b kann Kühlgas in die Arbeitsräume der Arbeitskolben 6 und 7 eingelassen werden. Die breiten Köpfe 12 der Arbeitskolben dienen zur Steuerung des Kühlgaseinlasses. Durch ein System von Uasserkammern 13, 14 und 15, die Teil eines Uasserkreislaufes sind, wird das Kühlgas zusätzlich abgekühlt.

In Fig. 5 ist die grundsätzliche Arbeitsweise einer zweistufigen Uälzkolbenpumpe ohne innere Abstufung dargestellt:

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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 P1 an.

Phase II

Der Arbeitsraum 8 ist souohl gegen die Einlaßöffnung 2 als

auch gegen den Kanal 17 abgeschlossen.

Phase III

Über den Kanal 17 uird das Gas in den sich bildenden Arbeitsraum 9 gefördert.

Phase IV

Der Arbeitsraum 9 ist souohl gegen die Auslaßöffnung 3 als

auch gegen den Kanal 17 abgeschlossen.

Phase V

Der Arbeitsraum 9 steht mit der Auslaßöffnung 3 in Verbindung. Das Gas uird gegen den Druck P2 ausgestoßen.

In Fig. 6 ist die grundsätzliche Arbeitsweise einer dreistufigen Uälzkolbenpumpe mit innerer Abstufung und mit Gaskühlung dargestellt.

Phase I - Der Arbeitsraum 8 steht mit der Einlaßöffnung 2 in Verbindung und saugt bei Drehung der Kolben 4, 5, 6 und 7 Gas mit dem Druck P1 an.

Phase II - Der Arbeitsraum 8 ist souohl gegen die Einlaßöffnung 2 als auch gegen den Kanal 20 abgeschlossen.

Phase III - Über den Kanal 20 uird das Gas in den sich bildenden Arbeitsraum 9 gefördert.

Phase IV - Der Arbeitsraum 9 ist souohl gegen den Kanal 20 als auch gegen den Kanal 22 abgeschlossen. Das Gas steht unter dem Druck P2. 130027/0316 ·-*■-■■

Phase V - über den Kanal 22 wird das Gas in den sich bildenden Arbeitsraum 10 gefördert.

Phase UI - Der Arbeitsraum 10 ist sowohl gegen den Kanal als auch gegen die AuslaOöffnung 3 abgeschlossen. Das Gas steht unter dem Druck P3.

Phase VII - Der Arbeitsraum 10 uird über den Kanal 11 und den Kühler 25 mit kaltem Gas auf den Druck P4 aufgefüllt.

Phase VIII - Über die AuslaQöffnung 3 uird das Gas ausgestoßen.

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   /1.] Uälzkolbenpumpe mit einem Steuerkolben und dazu parallel zu/ei oder mehr Arbeitskolben, die sich berührungslos in ^Malbzylindern drehen und mit diesen Schöpfräume bilden, uobsi zwischen Steuerkolben und Arbeitskolben eine stetige Abdichtung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daQ die einzelnen Stufen hintereinander geschaltet sind und aus Kolben mit einer zur Rotationsachss symmetrischen Massenverteilung bestehen und daß das Gas nur nach dem Verdrängerprinzip von einer Stufe in die nächste transportiert wird.
2. 2. Uälzkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Pumpstufen ein unterschiedliches Saugvermögen aufweisen.
3. 3. UMlzkolbenpufme nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das unterschiedliche Saugvermögen durch verschiedene Drehzahlen der Arbeitskolben erreicht uird.
4. 4. Uälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das unterschiedliche Saugvermögen durch verschiedene Uälzkreisdurchmesser der Arbeitskolben erreicht uird.
5. 5. Uälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das unterschiedliche Saugvermögen durch verschiedene Drehzahlen der Arbeitskolben und durch verschiedene Uälzkreisdurchmesser der Arbeitskolben erreicht uird.
6. o. Uälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskolben sternförmig um den Steuerkolben angeordnet sind.
7. 7. Uälzkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Stufen mit einer Gaskühlung ausgerüstet sind.

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   ORIGINAL INSPECTED
8. 8. Uälzkolbenpumpe nach den Ansprüchsn 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas durch einen Wasserkreislauf zusätzlich gekühlt uird.
9. 9. Uälzkolbonpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Stufen Überdruckventile eingebaut sind.

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