EP1477682B1 - Flüssigkeitsringgaspumpe - Google Patents

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EP1477682B1
EP1477682B1 EP03011219A EP03011219A EP1477682B1 EP 1477682 B1 EP1477682 B1 EP 1477682B1 EP 03011219 A EP03011219 A EP 03011219A EP 03011219 A EP03011219 A EP 03011219A EP 1477682 B1 EP1477682 B1 EP 1477682B1
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EP
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liquid ring
control discs
ring gas
gas pump
openings
Prior art date
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EP03011219A
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Bernd Wenckebach
Silke Heetsch
Alfons Dr. Jünemann
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Sterling Fluid Systems Germany GmbH
Sterling Fluid Systems GmbH
Original Assignee
Sterling Fluid Systems Germany GmbH
Sterling Fluid Systems GmbH
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    • F04C19/00—Rotary-piston pumps with fluid ring or the like, specially adapted for elastic fluids
    • F04C19/005—Details concerning the admission or discharge
    • F04C19/007—Port members in the form of side plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/10—Outer members for co-operation with rotary pistons; Casings
    • F01C21/104—Stators; Members defining the outer boundaries of the working chamber
    • F01C21/108—Stators; Members defining the outer boundaries of the working chamber with an axial surface, e.g. side plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C2230/00—Manufacture
    • F04C2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F04C2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2250/00—Geometry
    • F04C2250/10—Geometry of the inlet or outlet

Definitions

  • an impeller rotates within an eccentrically rotating fluid ring.
  • the liquid ring more or less immersed in the cells formed between the wings of the impeller.
  • the free volume in the impeller cells is alternately increased and decreased.
  • the suction opening through which the gas to be conveyed is sucked into the cells, is located in the front side in a control disk.
  • Liquid ring gas pumps are used both as a vacuum pump, where the delivery gas is compressed from a negative pressure to about atmospheric pressure, and as a compressor in which the delivery gas is compressed from atmospheric to an overpressure.
  • Liquid ring gas pumps are available as single-stage and multi-stage versions. Single-stage liquid ring gas pumps can be used as a vacuum pump in the upper rough vacuum or as a compressor due to the lower compression ratio. Two-stage machines have their preferred use as a vacuum pump in the lower pressure range of the vacuum.
  • the work spaces in which the impeller rotates and the liquid ring is formed, are limited axially on one side or on both sides by a control disk.
  • these work spaces with impeller and control discs are arranged axially in a corresponding number one behind the other.
  • the control discs have openings which ensure the inflow and outflow of the conveying gas from the outer compressor housing into and out of the working space.
  • openings which ensure the inflow and outflow of the conveying gas from the outer compressor housing into and out of the working space.
  • the achievable Ansaugvolumenstrom and the efficiency of the exact position and the geometric contours of the openings have great influence. Therefore, in practice, the shape and size of suction and pressure opening differ.
  • control discs are structurally designed differently.
  • each of the four control discs has a different geometry.
  • the two axially outer control discs each have a suction and pressure port; the first stage middle control disk has only the pressure port, and the second stage middle control disk has only the suction port.
  • the control discs are designed as castings, even the two outer control discs are structurally different, because the openings and the centering of the housing are arranged in mirror image.
  • the disadvantage of this conventional pump design is the large number of different components that cause high complexity in the production, the parts procurement, the parts processing and warehousing. High piece and processing costs are the result.
  • control discs can be stamped from flat sheets or processed with laser technology.
  • the outflow from the working space is stepped in the pressure slot, whereby approximately a curved flow channel is modeled.
  • Consistently uniform control discs which are designed as flat components, have hitherto been used only in single-stage liquid ring gas pumps, since they always have a suction opening and a pressure opening when they are of uniform design ( DE 10 57 284 B . DE 197 58 340 A1 ). For example, for multi-stage pumps in which the middle control discs may have only one opening, at least three different versions of the control discs would be necessary.
  • the solution according to the invention is that unused openings on the side facing away from the impeller by adjacent housing parts and are covered.
  • the liquid ring gas pump according to the invention has only control disks of identical geometrical design. Possible This is because the unnecessary openings on the side facing away from the impeller are covered by adjacent components. It is not necessary that in the control disk, the remaining open space of the unneeded opening must be filled, although it would be thought that the efficiency is deteriorated by this additional space in which there is also gas to be pumped. Surprisingly, however, the liquid ring gas pump according to the invention works with the same performance data as a liquid ring gas pump without the corresponding open spaces in the control discs, since the respectively outside covered opening in the working space is axially opposite the opening to the associated flow channels. In this position of the impeller are equal pressures during the compression process in the adjacent impeller cells, whereby virtually no backflow occur. It has also been proven experimentally that there is no negative influence on the intake volume flow of the liquid ring gas pump.
  • the invention can be used when the respectively unused suction or pressure opening is covered. According to the invention, therefore, complete liquid ring gas pump series consisting of single-stage and multi-stage machines as well as compressor stages with different axial lengths can be equipped at all points with the same uniform control disks.
  • the invention achieves a significant reduction in the number of different components. This results in significant savings in the manufacturing and assembly process. The manufacturing cost of such a liquid ring gas pump are therefore significantly lower.
  • control discs may contain further required for the function of the compressor openings (holes), for example, for the liquid, which are either open or covered.
  • the uniform control disks are flat plates and have a suction opening and a pressure opening.
  • the uniform control discs may also be castings and then also include a suction port and a pressure port.
  • control disk is produced by punching, laser burning or water jet cutting, in many cases no further processing is required.
  • FIG. 3 shows a single-stage pump, in which the two control discs 3 are formed identical to the suction port 6 and the pressure port 7.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsringgaspumpe mit einer oder mehreren Stufen, die jeweils einen Arbeitsraum, ein darin exzentrisch gelagertes Flügelrad, den Arbeitsraum beidseitig axial begrenzende flache Steuerscheiben und sich daran anschließende Kanäle oder Kammern für die Zu- und Abführung des Fördergases zu dem und von dem Arbeitsraum aufweisen, wobei die Steuerscheiben identisch miteinander mit gleichen Saug- und Drucköffnungen ausgebildet sind.
  • In Flüssigkeitsringgaspumpen läuft ein Flügelrad innerhalb eines exzentrisch kreisenden Flüssigkeitsrings um. Während des Umlaufs taucht der Flüssigkeitsring mehr oder weniger weit in die zwischen den Flügeln des Flügelrads gebildeten Zellen ein. Dadurch wird das freie Volumen in den Flügelradzellen wechselnd vergrößert und verkleinert. In demjenigen Umlaufbereich, in welchem sich das Zellenvolumen vergrößert, befindet sich stirnseitig in einer Steuerscheibe die Saugöffnung, durch die das zu fördernde Gas in die Zellen eingesaugt wird. Im Endbereich desjenigen Umlaufteils, in welchem sich die Kompression vollzieht, befindet sich die Drucköffnung, durch die das komprimierte Gas in den Druckraum der Pumpe ausgeschoben wird.
  • Flüssigkeitsringgaspumpen werden sowohl als Vakuumpumpe, wo das Fördergas von einem Unterdruck auf etwa Atmosphärendruck verdichtet wird, als auch als Kompressor eingesetzt, bei denen das Fördergas von Atmosphärendruck auf einen Überdruck verdichtet wird. Flüssigkeitsringgaspumpen gibt es als einstufige und mehrstufige Ausführungen. Einstufige Flüssigkeitsringgaspumpen können aufgrund des geringeren Verdichtungsverhältnisses als Vakuumpumpe im oberen Grobvakuum bzw. als Kompressor eingesetzt werden. Zweistufige Maschinen haben ihren Vorzugseinsatzbereich als Vakuumpumpe im unteren Druckbereich des Vakuums.
  • Die Arbeitsräume, in denen das Flügelrad rotiert und sich der Flüssigkeitsring ausbildet, sind axial einseitig oder beidseitig von einer Steuerscheibe begrenzt. Bei mehrstufigen Flüssigkeitsringpumpen sind diese Arbeitsräume mit Flügelrad und Steuerscheiben in entsprechender Anzahl axial hintereinander angeordnet.
  • Traditionell besteht eine Flüssigkeitsringgaspumpe aus einer Vielzahl von Bauteilen, die bei der Pumpenmontage in axialer Richtung aneinander angeordnet werden. Die Auflageflächen der einzelnen Bauteile sind gleichzeitig Dichtflächen der Maschine vom Pumpeninneren zur Umgebung. Axial nach außen schließen an die Steuerscheiben die äußeren Gehäuse an, in denen Kanäle oder Kammern für die Führung der Gas- und Flüssigkeitsströme enthalten sind. Auch zwischen den Steuerscheiben und den äußeren Gehäusen sind wieder abzudichtende Flächen.
  • Die Steuerscheiben weisen Öffnungen auf, die das Zu- und Ausströmen des Fördergases vom äußeren Verdichtergehäuse in bzw. aus dem Arbeitsraum gewährleisten. Je nach Stufenzahl und Bauform der Flüssigkeitsringgaspumpe sind in diesen Steuerscheiben ein oder zwei Öffnungen für das Einströmen (Saugöffnung) bzw. Ausströmen (Drucköffnung)des Fördermediums vorgesehen. Aufgrund der Kompression des Gases in jeder Flüssigkeitsringstufe ist die Drucköffnung im allgemeinen kleiner als die Saugöffnung ausgeführt. Auf den erreichbaren Ansaugvolumenstrom und den Wirkungsgrad haben die genaue Position und die geometrischen Konturen der Öffnungen großen Einfluß. Deshalb unterscheiden sich in der Praxis auch die Form und Größe von Saug- und Drucköffnung.
  • Bei dieser klassischen Pumpenkonstruktion sind die Steuerscheiben konstruktiv unterschiedlich ausgeführt. So hat zum Beispiel bei der zweistufigen Pumpe jede der vier Steuerscheiben eine andere Geometrie. Die beiden axial äußeren Steuerscheiben haben je eine Saug- und Drucköffnung; die mittlere Steuerscheibe der ersten Stufe hat nur die Drucköffnung, und die mittlere Steuerscheibe der zweiten Stufe hat nur die Saugöffnung. Da konventionell die Steuerscheiben als Gußteile ausgeführt werden, sind sogar die beiden äußeren Steuerscheiben konstruktiv verschieden, weil die Öffnungen und die Zentrierungen zum Gehäuse spiegelbildlich angeordnet sind. Der Nachteil dieser herkömmlichen Pumpenkonstruktion ist die große Zahl unterschiedlicher Bauteile, die eine hohe Komplexität in der Produktion, der Rohteilbeschaffung, der Teilebearbeitung und der Lagerhaltung verursachen. Hohe Stück- und Verarbeitungskosten sind die Folge.
  • Bereits bekannt sind erste Ansätze, die Steuerscheiben als ebene Scheiben mit konstanter Dicke einfacher zu gestalten ( EP 0 678 674 A2 ). Dadurch ist es möglich, symmetrische Steuerscheiben als ein einheitliches Bauteil auszuführen. In der
  • Herstellung können diese Steuerscheiben aus ebenen Blechen gestanzt oder mit Lasertechnologie bearbeitet werden. Zusätzlich ist es häufig erforderlich, die angrenzenden Strömungskanäle in den benachbarten Gehäuseteilen so anzupassen, dass optimale Strömungsverhältnisse erreicht werden. So ist beim genannten Stand der Technik die Ausströmung aus dem Arbeitsraum im Druckschlitz gestuft ausgeführt, wodurch näherungsweise ein gekrümmter Strömungskanal modelliert wird.
  • Durchgängig einheitliche Steuerscheiben, die als ebene Bauteile ausgeführt sind, sind bisher nur bei einstufigen Flüssigkeitsringgaspumpen eingesetzt worden, da diese bei einheitlicher Gestaltung immer eine Saugöffnung und eine Drucköffnung besitzen ( DE 10 57 284 B , DE 197 58 340 A1 ). Beispielsweise für mehrstufige Pumpen, bei denen die mittleren Steuerscheiben jeweils nur eine Öffnung haben dürfen, wären mindestens drei verschiedene Ausführungen der Steuerscheiben notwendig.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Flüssigkeitsgasringpumpe, bei der die Anzahl unterschiedlicher Steuerscheiben verringert ist.
  • Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass nicht benötigte Öffnungen auf der vom Flügelrad abgewandten Seite durch benachbarte Gehäuseteile zu- und abgedeckt sind.
  • Die Erfindung kann für einstufige, insbesondere aber für mehrstufige Flüssigkeitsringgaspumpen verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Flüssigkeitsringgaspumpe wiest nur Steuerscheiben in identischer geometrischer Ausführung auf. Möglich wird dies dadurch, daß die nicht benötigten Öffnungen auf der vom Flügelrad abgewandten Seite durch benachbarte Bauteile abgedeckt werden. Dabei ist es nicht notwendig, daß in der Steuerscheibe der verbleibende offene Raum der nicht benötigten Öffnung ausgefüllt werden muß, obwohl man meinen würde, daß durch diesen zusätzlichen Raum, in dem sich auch zu pumpendes Gas befindet, der Wirkungsgrad verschlechtert wird. Erstaunlicherweise funktioniert aber die erfindungsgemäße Flüssigkeitsringgaspumpe mit den gleichen Leistungsdaten wie eine Flüssigkeitsringgaspumpe ohne die entsprechenden offenen Räume in den Steuerscheiben, da sich der jeweils außen abgedeckten Öffnung im Arbeitsraum axial gegenüber die Öffnung zu den zugehörigen Strömungskanälen befindet. In dieser Position des Flügelrads liegen während des Verdichtungsvorgangs in den benachbarten Flügelradzellen gleiche Drücke vor, wodurch praktisch keine Rückströmungen auftreten. Auch experimentell wurde nachgewiesen, daß es keinen negativen Einfluß auf den Ansaugvolumenstrom der Flüssigkeitsringgaspumpe gibt.
  • Auch bei einstufigen Pumpen mit diagonaler Durchströmung, bei denen saug- bzw. druckseitig jeweils nur eine Öffnung benutzt wird, kann die Erfindung verwendet werden, wenn die jeweils nicht benutzte Saug- oder Drucköffnung abgedeckt wird. Erfindungsgemäß können daher komplette Flüssigkeitsringgaspumpenbaureihen, bestehend aus ein- und mehrstufigen Maschinen sowie aus Verdichterstufen mit unterschiedlichen axialen Längen an allen Stellen mit den gleichen einheitlichen Steuerscheiben ausgerüstet werden. Durch die Erfindung wird eine bedeutende Reduzierung der Anzahl unterschiedlicher Bauteile erzielt. Dadurch entstehen markante Einsparungen im Fertigungs- und Montageprozeß. Die Herstellungskosten einer derartigen Flüssigkeitsringgaspumpe sind daher deutlich geringer.
  • Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß die Steuerscheiben weitere für die Funktion des Verdichters erforderliche Öffnungen (Bohrungen) enthalten können, zum Beispiel für die Flüssigkeit, die wahlweise offen oder abgedeckt sind.
  • Zweckmäßigerweise sind die einheitlichen Steuerscheiben ebene Platten und weisen eine Saugöffnung und eine Drucköffnung auf. Die einheitlichen Steuerscheiben können aber auch Gußteile sein und dann ebenfalls eine Saugöffnung und eine Drucköffnung enthalten.
  • Wird die Steuerscheibe durch Stanzen, Laserbrennen oder Wasserstrahlschneiden erzeugt, ist in vielen Fällen keine weitere Bearbeitung erforderlich.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1
    im Querschnitt eine Flüssigkeitsringgaspumpe des Standes der Technik;
    Figur 2
    eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsringgaspumpe;
    Figur 3
    eine zweite Form einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsringgaspumpe; und
    Figur 4
    eine erfindungsgemäße Steuerscheibe in Draufsicht.
  • Figur 1 zeigt eine konventionelle zweistufige Flüssigkeitsringgaspumpe. Diese weist zwei Flügelräder 2 auf, die in zwei Arbeitsräumen 8 angeordnet sind und von einer Welle 9 getragen werden. Axial werden die Arbeitsräume 8 durch Steuerscheiben 3, 4 begrenzt. Wie man sieht, werden vier unterschiedliche Steuerscheiben benötigt.
  • Figur 2 zeigt in ähnlicher Darstellung eine erfindungsgemäße Pumpe, bei denen die Steuerscheiben 3, 4 mit den Saugöffnungen 6 und Drucköffnungen 7 identische miteinander ausgebildet sind. Durch eine Zwischenwand 10 ist dabei die Drucköffnung 7 der inneren Steuerscheibe 4 der linken (zweiten) Stufe und die Saugöffnung 6 der inneren Steuerscheibe 4 der rechten (ersten) Stufe abgedeckt. Die Drucköffnung der inneren Steuerscheibe 4 der rechten Stufe steht durch einen Kanal 11 mit der Saugöffnung der inneren Steuerscheibe 4 der linken Stufe in Verbindung. Mit 12 sind weitere für die Funktion der Pumpe erforderliche Öffnungen bezeichnet.
  • Figur 3 zeigt eine einstufige Pumpe, bei der die beiden Steuerscheiben 3 mit der Saugöffnung 6 und der Drucköffnung 7 identisch ausgebildet sind.
  • In Figur 4 ist schließlich in Draufsicht eine Steuerscheibe 3, 4 mit der Saugöffnung 6 und der Drucköffnung 7 gezeigt.

Claims (7)

  1. Flüssigkeitsringgaspumpe mit einer oder mehreren Stufen, die jeweils einen Arbeitsraum (8), ein darin exzentrisch gelagertes Flügelrad (2), den Arbeitsraum beidseitig axial begrenzende flache Steuerscheiben (3, 4) und sich daran anschließende Kanäle oder Kammern für die Zu- und Abführung des Fördergases zu dem und von dem Arbeitsraum (8) aufweisen und bei der die Steuerscheiben (3, 4) identisch miteinander mit gleichen Saug- (6) und Drucköffnungen (7) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass nicht benötigte Öffnungen (6, 7) der Steuerscheiben (3, 4) auf der vom Flügelrad (2) abgewandten Seite durch benachbarte Gehäuseteile (5, 10) zu- und abgedeckt sind.
  2. Flüssigkeitsringgaspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheiben (3, 4) weitere für die Funktion des Verdichters erforderliche Öffnungen (Bohrungen) (12) enthalten, die wahlweise offen oder abgedeckt sind.
  3. Flüssigkeitsringgaspumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrstufiger Bauweise, bei der die zwischen zwei Flügelrädern (2) angeordneten Steuerscheiben (4) entweder nur die Saugöffnung (6) oder nur die Drucköffnung (7) benötigen, die nicht erforderlichen Öffnungen (6, 7) durch ein benachbartes Gehäuseteil (10) abgedeckt sind.
  4. Flüssigkeitsringgaspumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einstufiger Bauweise, bei der die Steuerscheiben (3) einseitig nur die Saugöffnung (6) oder die Drucköffnung (7) benötigen, die nicht benutzten Öffnungen (6, 7) durch die axial äußeren Gehäuse (5) abgedeckt sind.
  5. Flüssigkeitsringgaspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einheitlichen Steuerscheiben (3, 4) ebene Platten sind und eine Saugöffnung (6) und eine Drucköffnung (7) enthalten.
  6. Flüssigkeitsringgaspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheiben (3, 4) durch Stanzen, Laserbrennen oder Wasserstrahlschneiden hergestellt sind.
  7. Flüssigkeitsringgaspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einheitlichen Steuerscheiben (3, 4) Gussteile sind und eine Saugöffnung (6) und eine Drucköffnung (7) enthalten.
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