Rotorkühlung für trocken laufende Zweiwellen-Vakuumpumpen bzw.

-Verdichter

Die Erfindung betrifft eine trocken laufende Zweiwellen-Vakuumpumpe bzw. - Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Maschine kann in stehender oder liegender Ausführung vorgesehen sein, und es können die Verdrängerrotoren klauenkolbenförmig, schraubenförmig, schraubenspindelförmig oder wälzkolbenförmig ausgebildet sein.

Zunehmende Betriebs- und Entsorgungskosten, steigende Anforderungen an die Reinheit des Fördermediums und nicht zuletzt die neuen technischen Fähigkeiten sowie die Robustheit trocken laufender Vakuumpumpen und -Verdichter haben in den letzen Jahren eine starke Zunahme von Anwendungen auf den verschiedensten Gebieten verursacht.

Konventionelle ölumlauf geschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen und -Verdichter oder auch Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen und -Verdichter arbeiten mit flüssigen Betriebsmitteln. Bei diesen sog. Einwellenmaschinen dient das Betriebsmittel zur Abdichtung der Arbeitskammern und zum Abtransport der Verdichtungswärme. Derartige Maschinen haben daher keine besonderen Anforderungen an die Kühlung.

Demgegenüber besteht sowohl bei trocken laufenden Vakuumpumpen als auch bei Verdichtern das Problem, die entstehende Verdichtungswärme abzuleiten und damit eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten. Bei Vakuumpumpen, die einen Enddruck im Grob- und Feinvakuum erreichen, steigt mit abnehmendem Saugdruck die Austrittstemperatur des Fördermediums. Zugleich kann das Fördermedium die geleistete Kompressionsarbeit mit sinkendem Förderstrom nur noch in abnehmendem Maße aus dem Arbeitsraum an die Umgebung fortleiten. ähnlich verhält es sich bei Verdichtern. Auch hier steigt mit zunehmendem Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite die Temperatur im Arbeitsraum.

Es ist auch schon bekannt (EP 0 290 663 B1 oder DE 198 20 523 A1), die in derartigen Maschinen entstehende Verdichtungswärme - anstelle einer üblichen Flüssigkeitskühlung oder bei kleineren Leistungen anstelle einer Luftkühlung des den Arbeitsraum bzw. den Getrieberaum ummantelnden Gehäuses - durch eine direkte Kühlung des Rotors aus dem Arbeitsraum abzuleiten. Bei beiden bekannten Verfahren wird durch eine achsmittige Wellenbohrung die entstehende Verdichtungswärme mittels Kühlmittel, vorzugsweise Getriebeöl, durch direkte Kühlmitteleinspritzung und Kühlmittelrückführung aus den hohl gebohrten Rotorenwellen abgeführt.

Beide bekannten Lösungen benötigen jedoch an jedem der beiden Rotoren ein freies Wellenende zum Einspritzen des Kühlmittels. Hierdurch werden in nachteiliger Weise auf Grund der zusätzlich erforderlichen Antriebszwischenwelle steigende Herstellungskosten verursacht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die trocken laufende Zweiwellen- Vakuumpumpe bzw. -Verdichter der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, dass die Ableitung der Verdichtungswärme aus dem Arbeitsraum durch eine einfache, robuste und kostengünstige technische Lösung entscheidend verbessert ist.

Die Erfindung bezieht sich hierbei auf sowohl fliegend als auch beidseits des Arbeitsraums gelagerte trocken laufende Klauen-, Schrauben- und Wälzkolben- Vakuumpumpen bzw. -Verdichter, bei denen die beiden Verdrängerrotoren im Verhältnis 1:1, beispielsweise mechanisch mittels eines ölgeschmierten Zahnradgetriebes, synchronisiert sind.

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Der Erfindung liegt der wesentliche, verblüffend einfache Gedanke zu Grunde, die Ausgestaltung derart zu treffen, dass jede Welle der Verdrängerrotoren einen axial verlaufenden, sich wenigstens über eine Teillänge der Welle erstreckenden Hohlraum aufweist, in dem jeweils wenigstens ein Wärmerohr derart angeordnet ist, dass die Verdichtungswärme von den Verdrängerrotoren über die Wellen aus dem Arbeitsraum und ggf. einem angrenzenden Dichtungsraum fortgeleitet und außerhalb des Arbeitsraums durch Wärmeableitmittel aus der Maschine abgeleitet wird.

Die Technik der Wärmerohre selbst, auch "Heat Pipes" genannt, ist hinlänglich bekannt. Bei einem Wärmerohr handelt es sich um ein nach außen abgeschlossenes

System, dass innen hohl ist und in dem sich ein Arbeitsmittel befindet, das an der

Wärmequelle verdampft, die Wärme mit dem Dampf zentral in Inneren des

Wärmerohres zur Wärmesenke transportiert und dort wieder kondensiert. Der

Rückfluss des kondensierten Arbeitsmittels zur Wärmequelle findet am äußeren Durchmesser des Hohlraumes durch Kapillarkräfte statt. Die technische Ausführung der Kapillarstruktur an der Innenwandung hängt von der Auslegung des

Wärmerohres ab. Als Arbeitsmittel kann im hier genutzten Temperaturbereich

Wasser verwendet werden. Der erforderliche Druck im Wärmerohr ergibt sich aus den gewünschten Betriebspunkten des Wärmerohres. Die transportierbare Wärmemenge kann gegenüber massivem Kupfer bis zu einem Faktor von 10.000 höher liegen.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass als Wärmeableitmittel außerhalb des Arbeitsraums gekühltes Kühlmittel, vorzugsweise Getriebeöl, verwendet wird, das durch einen Kühlmittelkreislauf kontinuierlich zugeführt wird.

Erfindungsgemäß kann das Wärmeableitmittel auch aus metallischen Wärmeableitkörpern besonders hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, die an oder nahe der jeweiligen Wärmesenke am Ende der Wärmerohre an den Wellenenden der Verdrängerrotoren angebracht sind.

Vorteilhafterweise können die metallischen Wärmeableitkörper aus axialen Hülsen bestehen, die auf den Wellenenden der Verdrängerrotoren angeordnet sind; stattdessen oder zusätzlich ist es hierbei auch möglich, dass die Wärmeableitkörper aus Metallstiften bestehen, welche die Wellenenden der Verdrängerrotoren an oder nahe der jeweiligen Wärmesenke am Ende der Wärmerohre radial durchsetzen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Verdrängerrotoren zur Erhöhung des Fördervolumens wenigstens zweiflutig und/oder zur Erhöhung der Gesamtdruckdifferenz wenigstens zweistufig ausgebildet sind und dass die Ableitung der Verdichtungswärme aus wenigstens einer Wärmequelle sowie wenigstens einer Wärmesenke eines Wärmerohres pro Rotor erfolgt.

Erfindungsgemäß kann die Wärmeableitung aus dem Bereich der Wärmesenken der Wärmerohre bzw. aus dem Bereich der Wärmeableitkörper auf den Wellen der Verdrängerrotoren mit einem genau ausgerichteten, dosierten ölstrahl erfolgen.

Zweckmäßigerweise kann in den Kühlmittelkreislauf ein öl-Luft-Wärmeübertrager oder aber ein öl-Wasser-Wärmeübertrager, in beiden Fällen ggf. auch ein ölfilter, eingebaut sein.

Vorzugsweise wird zum Fördern des Kühlmittels, insbesondere öl, eine Kühlmittelpumpe aus der Gruppe Viskositäts-, Kreisel-, Gewinde-, Zahnrad-,

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Kühlmittelpumpe an einem freien Wellenende in der Maschine angebracht ist. Stattdessen ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Kühlmittelpumpe außerhalb der Maschine anzuordnen und über eine zwischengeschaltete Magnetkupplung mit einer Rotorwelle zu kuppeln.

Es ist von Vorteil, wenn die in den Wärmerohren eingesetzten Kapillarstrukturen mechanisch, insbesondere durch Formschluss, Löten, Schweißen, Einpressen, Kleben oder dgl., gegen Verdrehen zwischen Wärmerohr und Kapillarstruktur gesichert sind.

Hierbei ist es gleichfalls von Vorteil, wenn die in den Rotorwellen eingebauten Wärmerohre mechanisch, insbesondere durch Formschluss, Löten, Schweißen, Einpressen, Kleben oder dgl., gegen Verdrehen zwischen Wärmerohr und Kapillarstruktur gesichert sind.

Es liegt schließlich im Rahmen der Erfindung, dass zur Verbesserung des Wärmeflusses um die Wärmerohre herum, und ggf. auch um die Wärmeableitkörper herum, ein Wärmeleitmittel angeordnet ist, das durch statische elastische Dichtungen, wie O-Ringe oder dgl., an einem Abfließen gehindert ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung in Form mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 schematisch im Schnitt die erfindungsgemäße Rotorkühlung an einer fliegend gelagerten Klauenvakuumpumpe;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Rotorkühlung bei einem beidseitig des Arbeitsraums gelagerten Klauenverdichter;

Fig. 3 die erfindungsgemäße Rotorkühlung bei einer beidseits des Arbeitsraums gelagerten Schraubenvakuumpumpe; und

Fig. 4 bei einer beidseits des Arbeitsraums gelagerten Wälzkolbenpumpe.

Bei der in Fig. 1 dargestellten fliegend gelagerten Klauenvakuumpumpe wird die Verdichtungswärme mit zwei Wärmerohren, zentral in jeder Rotorwelle eingearbeitet, von den Verdichtungskörpern, hier Klauenkolben, über die Rotorwellen in den Getrieberaum und von dort mittels Wärmetauscher oder direkt über die Wand des Getriebegehäuses in die äußere Umgebung abgegeben.

Das Fördermedium wird über einen gestrichelt angedeuteten Saugstutzen 1 von oben angesaugt und gegen eine unten in der Zeichnung nicht dargestellte Steueröffnung verdichtet. Die entstehende Verdichtungswärme erwärmt das Gehäuse um die Klauenkolben 2, 3 herum und die Klauenkolben 2, 3 selbst. Die Wellen 4, 5 werden durch zwei Zahnräder 6, 7 synchronisiert. Diese Synchronisationszahnräder 6, 7 und die Lagerung der Wellen 4, 5 befinden sich in einem Getrieberaum und sind ölgeschmiert. In den Wellen 4, 5 sind jeweils axial verlaufende Hohlräume vorgesehen, in denen Wärmerohre 8, 9 angeordnet sind. Diese dienen dazu, den vergleichsweise hohen Anteil an Wärmeenergie zum Getrieberaum abfließen zu lassen. Am Ende der Wärmerohre 8, 9 im Getrieberaum wird der Wärmestrom über radial die Wellen 4, 5 durchsetzende Metallstifte 10, 11 besonders hoher Wärmeleitfähigkeit (δ > 100 W/(K*m)) zu Wärmeableithülsen 12, 13 transportiert, die axial verlaufend an den Enden der Wellen 4, 5 angebracht sind. Die Wärmeableithülsen 12, 13 selbst werden mit gekühltem Getriebeöl, das aus ausgerichteten Düsen 31 austritt, auf niedriger Temperatur gehalten. Zu diesem Zweck ist ein externer Kühler 32 vorgesehen, um die öltemperatur im Getriebe niedrig zu halten und gleichzeitig eine hohe Temperaturdifferenz über den Wärmerohren 8, 9 zu erzielen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten beidseits des Arbeitsraums gelagerten Klauenverdichter wird die Verdichtungswärme gleichfalls mit zwei Wärmerohren von den Verdichtungskörpern, hier Klauenkolben, über die Rotorwellen in den Seitenraum gegenüber dem Getrieberaum und von dort mittels Wärmetauscher oder direkt über die Wand des Getriebegehäuses ξπ dis äußere Urrsgsb'jr.g abgegsbsn.

Das Fördermedium wird über den gestrichelt angedeuteten Saugstutzen 1 von oben angesaugt und gegen eine unten in der Zeichnung nicht sichtbare Steueröffnung verdichtet. Die entstehende Verdichtungswärme erwärmt das Gehäuse um die Klauenkolben 2, 3 herum und die Klauenkolben 2, 3 selbst. Die Wellen 4, 5 werden durch zwei Zahnräder 6, 7 synchronisiert. Stirnseitig zum Arbeitsraum, gegenüber dem Synchronisationsgetriebe 6, 7 befindet sich eine zweite Lagerung 14, 15 der Wellen 4, 5. Die Verdichtungswärme wird bei dieser Ausführung mit öl geschmierter Lagerung über eine Wärmesenke, bestehend aus gut wärmeleitfähigen radial angeordneten Metallstiften 10, 11 und axial verlaufenden Wärmeableithülsen 12, 13, am Ende der Wärmerohre 8, 9 im Lagerseitenraum abgeleitet. Von hier kann dann die Wärme entweder durch direkte Luftkühlung oder noch wirksamer durch den Kühlkreislauf mit Kühler 32 aus der Maschine abgeleitet werden.

Bei dieser Lageranordnung sind für trocken laufende Klauen-, Schrauben- und Wälzkolben-Vakuumpumpen sowie -Verdichter auch zwei Wärmerohre je Welle realisierbar. Diese haben dann je Verdrängerrotor bzw. je Welle eine gemeinsame Wärmequelle im Arbeitsraum und ihre Wärmesenken jeweils auf einer der gegenüberliegenden Stirnseiten des Arbeitsraumes. Die ableitbare Wärmemenge kann somit weiter erhöht werden. Exemplarisch zeigt Fig. 4 eine Anordnung mit vier Wärmerohren.

Bei der in Fig. 3 dargestellten beidseits des Arbeitsraums gelagerten Schraubenvakuumpumpe wird die Verdichtungswärme ebenfalls mit zwei Wärmerohren von den Verdichtungskörpern, hier Schraubenrotoren, durch die Wellenenden in den Getrieberaum und von dort mittels Wärmetauscher oder direkt über die Wand des Getriebegehäuses an die äußere Umgebung abgegeben.

Das Fördermedium wird über den Saugstutzen 1 von der Seite angesaugt und in den Gewindegängen der Schraubenrotoren 17, 18 verdichtet. Ein Austrittsstutzen 16 für das Fördermedium befindet sich am anderen Ende der schraubenspindelförmigen

Verdängerrotorβπ 17, 18. Die entstehende VerdichU-P.gsv.'ärrrie erwärmt das

Gehäuse 19 um die Schraubenrotoren 17, 18 herum und die Schraubenrotoren 17, 18 selbst. Die Schraubenrotoren 17, 18 sind durch zwei Zahnräder 6, 7 synchronisiert. Gegenüber diesem Synchronisationsgetriebe 6, 7 befindet sich am saugseitigen Ende der Schraubenrotoren 17, 18 eine zweite Lagerung 20, 21. ähnlich den beschriebenen Beispielen wird hier die Verdichtungswärme am freien Wellenende durch ein axial angeordnetes Wärmeableitelement 22 und am Wellenende des angetriebenen Schraubenrotors 17 mit einer Wärmeableithülse 12 aus den Wärmerohren 8, 9 abgeleitet. Von hier wird dann die Wärme entweder durch direkte Luftkühlung oder noch wirksamer durch den dargestellten Kühlkreislauf mit Kühler 32 aus der Maschine abgeleitet.

Bei der aus Fig. 4 ersichtlichen beidseits des Arbeitsraums gelagerten Wälzkolbenpumpe wird die Verdichtungswärme mit vier Wärmerohren von den Wälzkolben über deren Wellenenden in die beiden Seitenräume des Arbeitsraumes geleitet. Von dort wird die Verdichtungswärme mit einem gemeinsamen Kühlkreislauf in die äußere Umgebung abgegeben.

Das Fördermedium wird über den gestrichelt angedeuteten Saugstutzen 1 von oben angesaugt und nach unten, in der Zeichnung nicht sichtbar, zum Auslass 16 gefördert. Die entstehende Verdichtungswärme erwärmt das Gehäuse um die Wälzkolben 23, 24 herum und die Wälzkolben 23, 24 selbst. Die Wellenenden der Wälzkolbens 23, 24 werden durch zwei Zahnräder 6, 7 synchronisiert. Stirnseitig zum Arbeitsraum gegenüber dem Synchronisationsgetriebe 6, 7 befindet sich eine zweite Lagerung 25, 26 der Wälzkolben 23, 24. Die insgesamt vier Wärmerohre 8, 9, 27, 28 sind wiederum zentral in den Rotormittelachsen angeordnet. Die Wärmequelle aller vier Wärmerohre 8, 9, 27, 28 befindet sich mittig im Arbeitsraum. In den beiden Seitenräumen der Wälzkolbenpumpe sind jeweils zwei der insgesamt vier Wärmesenken realisiert. Hier wird die Verdichtungswärme an den Wellenenden über eine Wärmeableithülse 12 und drei stirnseitige Kühlkörper 22, 29, 30 an das Schmier- und/oder Getriebeöl abgeleitet. Aus diesem wird dann die Verdichtungswärme durch einen einfachen Kühlkreislauf mit Kühler 32 aus der Maschine abgeleitet.

Hinsichtlich vorstehend nicht im Einzelnen erläuterter Merkmale der Erfindung wird im übrigen ausdrücklich auf die Zeichnung sowie die Ansprüche verwiesen.