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Title:
SCREW-TYPE VACUUM PUMP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/081766
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a screw-type vacuum pump (10) comprising two intermeshing screw-type rotors (12, 14) and at least two chambers (20, 21, 22) having different chamber volumes. Two adjacent chambers are directly interconnected by a valve (40, 41, 42) having a flow-through direction toward the delivery side of the pump and a blocking direction toward the suction side of the pump. In the instance of a deterioration or failure of the blocking action of the valve, an undesired pressure compensation takes place only in the magnitude of the difference in pressure between two adjacent areas, however, not in the magnitude of the difference relative to the atmospheric pressure.

Inventors:
Dreifert, Thomas (Am Waldpark 13 Köln, 50996, DE)
Bahnen, Rudolf (Roetgenbachstr. 33 Roetgen, 52159, DE)
Application Number:
PCT/EP2001/003782
Publication Date:
November 01, 2001
Filing Date:
April 03, 2001
Export Citation:
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Assignee:
LEYBOLD VAKUUM GMBH (Bonner Strasse 498 Köln, 50968, DE)
Dreifert, Thomas (Am Waldpark 13 Köln, 50996, DE)
Bahnen, Rudolf (Roetgenbachstr. 33 Roetgen, 52159, DE)
International Classes:
F04C18/08; F04C18/16; F04C23/00; F04C27/00; (IPC1-7): F04C18/16; F04C18/08; F04C23/00; F04C27/00
Foreign References:
DE19745615A11999-04-15
DE19736017A11999-02-25
US5478210A1995-12-26
FR500160A1920-03-04
DE19800711A11999-07-29
Attorney, Agent or Firm:
Selting, Günther (Deichmannhaus am Dom Bahnhofsvorplatz 1 Köln, 50667, DE)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE
1. Schraubenvakuumpumpe mit zwei kämmenden Schraubenrotoren (12,14), die Kammern (20,21,22) mit in Förderrichtung kleiner werdenden Kammervolumina begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei benachbarte Kammern (20,21,22) durch ein Rückschlagventil (41a, 41b, 42a, 42b) mit Durchlaßrichtung zur Druckseite direkt miteinander verbunden sind.
2. Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass das Rückschlagventil (41a, 41b, 42a, 42b) von einem durchgehenden Ventilkanal gebildet wird, wobei das Rück schlagventil (41a, 41b, 42a, 42b) im Längsschnitt derart asym metrisch ausgebildet ist, dass es in beiden Flussrichtungen unterschiedliche Durchlaßverhalten hat.
3. Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Ventilkanal (41a, 41,42a, 42) von min destens einem Spalt gebildet wird, der von einer Pumpenge hauswand (17) und einem Zahnkopf (45a, 45b, 36a, 46b) eines der Schraubenrotoren (12) begrenzt ist.
4. Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, dass in Durchlaßrichtung des Rückschlagventils (41a, 41b, 42a, 42b) der Kanaleinlaß (50) sich steiler verengt als der Kanalauslaß (54) sich erweitert.
5. Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, dass zwischen Kanaleinlass (50) und Kanalauslass (54) ein Kanalabschnitt (52) mit konstanter Spalthöhe vor gesehen ist.
6. Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kanaleinlaß (50) als gerundete Kante und der Kanalauslaß (54) als konischer Diffusorabschnitt ausgebildet ist, der sich in Durchlaßrichtung erweitert.
7. Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass der konische Abschnitt (54) durch eine Ab schrägung der Außenseite des Zahnkopfes (45a, 45b, 46a, 46b) gebildet wird.
8. Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass der Öffnungswinkel des konischen Abschnitts (54) kleiner 20°, insbesondere ungefähr gleich 10° ist.
9. Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 38, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zahn (24,25,26) des Schrauben rotors (12) derart ausgebildet ist, dass er mit der Ge häusewand über mehrere Windungen einen Ventilkanal (40,41,42) bildet.
10. Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 19, dadurch gekennzeichnet, dass das auslaßseitige Stirnprofil (90) der Zähne (26) des Schraubenrotors (12) jeweils derart ausge bildet ist, dass das Stirnprofil (90) mit der Pumpenge häusewand (18) ein SpaltkanalVentil (92) bildet.
11. Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 110, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche des Kanaleinlasses (52) zu der Querschnittsfläche der Öff nung des Kanalauslasses (54) zwischen 1,0 und 0,2 liegt und insbesondere ungefähr 0,3 beträgt.
12. Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 311, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalthöhe des Kanalabschnittes (52) an der engsten Stelle kleiner 400 um ist, insbesondere im Betrieb 50 bis 200 um beträgt.
13. Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 312, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltlänge 5 bis 50 mm beträgt.
14. Schraubenvakuumpumpe mit zwei kämmenden Schraubenrotoren (12,14) in einem Pumpengehäuse, die mit ihren Rotorzähnen (26) Pumpkammern (32) begrenzen, von denen mindestens eine durch ein Rückschlagventil mit Durchlaßrichtung zur Druck seite direkt mit dem Auspuff (28) oder der umgebenden Atmosphäre verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil von einem durchgehenden Ventil kanal (92) zwischen einer Wand (18) des Pumpengehäuses und einem Rotorzahn (26) gebildet wird, wobei der Ventilkanal im Längsschnitt derart asymmetrisch ausgebildet ist, dass es in beiden Flußrichtungen unterschiedliche Durchlaßver halten hat.
15. Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 14, mit den Merkmalen einer der Ansprüche 48 und 1113.
Description:
Schraubenvakuumpumpe Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenvakuumpumpe mit zwei kämmenden Schraubenrotoren, die Kammern begrenzen.

Vakuumpumpen dienen der Erzeugung von Vakuum in einem Behälter, das durch Abpumpen eines Gases aus dem Behälter in die Atmosphäre erzeugt wird. Um Gas aus dem Behälter von einem niedrigen Druck von beispielsweise 0,01 mbar in die Atmosphäre pumpen zu können, muß das Gas in der Pumpe mindestens auf Atmosphärendruck von 1013 mbar komprimiert werden. Bei Schrau- benvakuumpumpen erreicht eine Verdichterkammer ein Verdich- tungsverhältnis von typisch 10. Um ein Vakuum von 0,01 mbar mit einer einzigen Schraubenvakuumpumpe zu erzeugen, muss die Pumpe daher mehrere Kammern mit in Förderrichtung kleiner werdenden Kammervolumina aufweisen. Bei stufenweiser Auslegung der Kam- mern der Pumpe sind zur Erzielung der erforderlichen Gesamtver- dichtung von 105 etwa 5 bis 6 Stufen erforderlich. Hierbei bil- det das Kammer-Volumenverhältnis von Saugseite zu Druckseite, also von der Einlaßseite zur Auslaßseite, das"eingebaute" Volumenverhältnis. In diesem Fall spricht man auch von einer Maschine mit innerer Verdichtung. Vorteilhaft ist es, wenn das Kammervolumen der Kammern in Förderichtung kontinuierlich ab- nimmt. Wird bei Beginn der Evakuierung an der Saugseite der Pumpe bei hohem Eingangsdruck, beispielsweise bei Atmosphären- druck von 1013 mbar, Gas angesaugt, wird dieser Druck bis zur Druckseite der Pumpe gemäß dem"eingebauten"Verdichtungsver- hältnis erhöht, so dass hohe Materialbelastungen auftreten wür- den und vor allem eine sehr hohe Antriebsleistung zur Erzeugung der hohen Gasdrücke erforderlich wäre. Zur Vermeidung der- artiger Überkompression in den Kammern werden Überdruckventile eingesetzt, die die Kammer mit der atmosphärischen Umgebung verbinden, sobald der Druck in der Kammer den Atmosphären-Druck nennenswert überschreitet. Derartige Schraubenvakuumpumpen mit Überdruckventilen sind offenbart in DE 197 45 615 und DE 197 36 017. Diese Schraubenvakuumpumpen haben jedoch den prinzipiellen Nachteil, dass bei fehlerhaften Undichtigkeiten der Überdruck- ventile die Kammer ständig mit Atmosphärendruck belüftet wird.

Der Umstand, dass dann in der entsprechenden Kammer kein Unter- druck mehr aufgebaut werden kann, führt ggf. zu einem völligen Versagen der Pumpe, insbesondere dann, wenn eine Kammer nahe der Saugseite betroffen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schraubenvakuumpumpe mit Überdruck-Abbau zu schaffen, bei der die Ausfallsicherheit er- höht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An- spruchs 1 bzw. 14 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Schraubenvakuumpumpe sind zwei be- nachbarte Kammern verschiedener Kammervolumina durch ein Rück- schlagventil direkt miteinander verbunden, dessen Durchlaß- richtung zur Druckseite und dessen Sperrichtung zur Saugseite gerichtet ist. Das Überdruck-Ventil verbindet also zwei benach- barte Pumpen-Kammern miteinander, so dass keine direkte Verbin- dung mehr von den Kammern nahe der Saugseite zur umgebenden Atmosphäre existiert. Wenn die Pumpe ein in mehreren Stufen "eingebautes"Verdichtungsverhältnis aufweist, können die Kam- mern mit den beiden jeweils benachbarten Kammern über ein Ven- til verbunden sein, d. h. die Kammern sind kaskadenartig durch Ventile miteinander verbunden. Selbst wenn eines der Ventile defekt ist und in Sperrichtung ununterbrochen vollständig durchlässig sein sollte, ist der maximale Druckverlust nur auf die Druckdifferenz zwischen zwei benachbarten Kammern der Pumpe begrenzt. Dennoch ist durch die lückenlose kaskadenartige An- ordnung der Überdruckventile zwischen allen Bereichen verschie- dener Kammervolumina auch ein Abbau von überatmosphärischem Druck aus einer Kammer durch die übrigen Kammern hindurch mög- lich. Da die Ventile nur für relativ geringe Druckverhältnisse ausgelegt sein müssen, sind sie bei höherer Zuverlässigkeit gleichzeitig technisch einfacher, langlebiger und preiswerter realisierbar. Das Rückschlagventil kann mechanisch oder auch ohne bewegliche Teile ausgebildet sein.

Vorzugsweise wird das Ventil von einem durchgehenden Ventil- kanal zwischen zwei Kammern gebildet. Unter Ventilkanal ist jegliche Form eines offenen Durchlasses zu verstehen, der keine beweglichen Ventilorgane aufweist. Das als Kanal ausgebildete Ventil ist im Betrieb äußerst zuverlässig, auf einfache Weise und preiswert herstellbar. Dabei ist der Ventilkanal im Längs- schnitt derart asymmetrisch ausgebildet, dass er in Durchlaß- richtung und in Sperrichtung ein unterschiedliches Durchlaßver- halten hat. Der Ventilkanal wird so eng gewählt, dass der Rückfluss aus der druckseitigen Kammer in die saugseitigen Kam- mer in Sperrichtung relativ gering ist, während der Ventilkanal dennoch weit genug ist, um bei großen Überdrücken Druckspitzen ausreichend schnell in Richtung druckseitig benachbarte Kammer abbauen zu können.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Ventilkanal von einem Spalt zwischen der Pumpengehäusewand und dem Zahnkopf des Schraubenrotors gebildet. Ein Ventil in dem Pumpengehäuse ent- fällt. Der für einen berührungsfreien Pumpenlauf erforderliche Spalt zwischen dem Zahnkopf und der Gehäusewand erhält ein de- finiertes Maß, um als Ventil zwischen den beiden durch den Schraubenzahn getrennten Bereichen verschiedener Kammervolumina wirken zu können. Die Gestaltung der Wände des Ventilkanals, d. h. der Pumpengehäusewand und des Zahnkopfes wird so gewählt, dass der Strömungswiderstand in Sperrichtung höher ist als in Durchlaßrichtung. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Gehäusewand und/oder der Zahnkopf derart gestaltet werden, dass das in Sperrichtung durch den Kanal strömende Gas zu Turbu- lenzen angeregt wird, die eine den Gasstrom behindernde Wirkung haben, während das in Durchlaßrichtung strömende Gas ein unge- störtes Strömungsverhalten aufweist. Auf diese Weise kann durch einen durchgehenden Kanal ein Ventil mit einer Vorzugsrichtung in Durchlaßrichtung realisiert werden.

Vorzugsweise verengt sich der Kanaleinlaß des Ventilkanals steiler als sich der Kanalauslaß erweitert, d. h. die einlaß- seitige Kante ist relativ scharf, hat also einen kleinen Kantenradius, während die Auslaßseite einen großen Radius auf- weist. Der Kanaleinlaß kann als Stufe und der Kanalauslaß als sich konisch erweiternder Abschnitt ausgebildet sein, der sich in Durchlaßrichtung trichterartig erweitert. Das in Durchlaß- richtung strömende Gas behält auch im Bereich des sich konisch bzw. trichterartig erweiternden Kanalauslasses seine nicht ab- lösende Strömung bei, so dass der Strömungswiderstand gering ist. Bei umgekehrter Strömungsrichtung, also in Sperrichtung des Ventilkanales, bilden sich beim Ausströmen des Gases an dem stufenartigen Kanaleinlaß Turbulenzen, die den wirksamen Strömungsquerschnitt verringern und damit den Strömungswider- stand erhöhen. Durch die beschriebene Ausgestaltung des Ventil- kanals werden nur in Sperrichtung Turbulenzen bewirkt, die zwar keine vollständige, jedoch eine ausreichende Sperrwirkung be- wirken.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung, wird der konische Ab- schnitt des Kanalauslasses durch eine Abschrägung der Außen- seite des Zahnkopfes gebildet. Da die Pumpengehäusewand im Querschnitt kreisrund ausgebildet sein muss, kann im wesent- lichen nur durch eine entsprechende Gestaltung der Zahnkopfau- ßenseite das Profil des Ventilkanales gestaltet werden.

Vorzugsweise ist der maximale Öffnungswinkel des konischen Ka- nalauslasses kleiner als 20°, insbesondere kleiner als 10°. Nur bei einem kleinen Öffnungswinkel des Kanalauslasses ist gewähr- leistet, dass die Strömung in Durchlaßrichtung in dem konischen Abschnitt nicht abreißt, so dass keine den effektiven Kanal- querschnitt verkleinernden Turbulenzen in Flussrichtung ent- stehen können.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind mindestens zwei Stufen verschiedener Kammervolumina vorgesehen, wobei ab der ersten signifikanten Verkleinerung jeweils ein Ventil in Föder- richtung angeordnet ist. Die Verkleinerung des Arbeitsraumes kann generell in zwei oder mehr Stufen oder aber kontinuierlich erfolgen. Dabei können sowohl der Rotordurchmesser als auch die Gewindesteigung verändert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bildet jeder Schrauben- zahn des Schraubenrotors über mehrere Windungen mit der Ge- hauswand einen Ventilkanal. Alternativ kann der Ventilkanal auch nur an bestimmten Windungsstellen des jeweiligen Zahn- kopfes angeordnet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Profile der druckseitigen Stirnsseiten der Zähne des Schraubenrotors derart ausgebildet, dass sie mit der Pumpengehäusestirnwand ebenfalls ein Spaltkanalventil bilden. Auf diese Weise ist auch die mit dem höchsten Druck verdichtete Kammer durch ein Ventil gegen- über der Atmosphäre gegen zu hohe innere Drücke gesichert.

Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des Querschnittes der Ka- naleinlaßöffnung zu dem der Kanalauslaßöffnung zwischen 1,0 und 0,2, insbesondere ungefähr 0,3. Die Spaltbreite ist an der engsten Stelle vorzugsweise kleiner als 400 um und insbesondere im betriebsarmen Zustand zwischen 50 und 200 um liegend. Die Gesamtspaltlänge beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 50 mm.

Gemäß dem unabhängigen Anspruch 14 wird bei einer Schraubenva- kuumpumpe ein Rückschlagventil von der Pumpkammer zum Pumpen- auspuff von einem durchgehenden Ventilkanal zwischen einem Ro- torzahn des Schraubenrotors und einer Wand des Pumpengehäuses gebildet. Der Ventilkanal bildet also ein Rückschlagventil zwischen der Pumpenkammer und dem Auspuff. Unter einem Ventil- kanal ist jegliche Form eines offenen Durchlasses zu verstehen, der keine beweglichen Ventilorgane aufweist. Das als Kanal aus- gebildete Oberdruckventil ist einfach realisierbar, zuverlässig und preiswert herstellbar. Der Ventilkanal ist im Querschnitt asymmetrisch ausgebildet, so dass er in Durchlaßrichtung und in Sperrrichtung ein unterschiedliches Durchlaßverhalten hat.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 eine Schraubenvakuumpumpe mit zwei Schraubenrotoren, wobei der Spalt zwischen einem Rotor und der Gehäuse- wand als Ventilkanal ausgebildet ist, Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Rotorzahnkopfes und der Gehäusewand der Fig. 1, Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Rotorzahnkopfes des einen Rotors und des Zahnfußes des anderen Rotors der Figur 1, Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines Rotorkopfes, Fig. 5 eine dritte Ausführungsform eines Rotorkopfes, Fig. 6 eine Stirnansicht eines Rotors der Fig. 1, wobei das Stirnprofil des Schraubenrotors mit der Gehäusestirn- wand einen Ventilkanal bildet, Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII der Stirnseite des Rotors in der Fig. 6, und Fig. 8 eine schematische Darstellung der kaskadenartigen Ven- tilanordnung der Schraubenvakuumpumpe der Fig. 1.

In Figur 1 ist im Längsschnitt eine. Schraubenvakuumpumpe 10 mit zwei symmetrischen Schraubenrotoren 12,14 dargestellt, die käm- mend miteinander im Eingriff sind. Die beiden Rotoren 12,14 sind drehbar in einem Metallgehäuse 16 gelagert und drehen sich gegensinnig zueinander. Der untenliegende erste Rotor 12 wird durch einen Motor angetrieben (nicht dargestellt). Über ein einfaches Getriebe wird der zweite Rotor 14, synchron und ge- gensinnig zu dem ersten Rotor 12 angetrieben. Die Rotoren 12,14 bestehen aus Metall, können jedoch auch aus Kunststoff oder Ke- ramik gefertigt sein.

Beide Rotoren 12 und 14 weisen jeweils drei Stufen 20,21,22 verschiedener Durchmesser und Steigungen der schraubenartig um- laufenden Zähne 24,25,26 auf. Von den Schraubenzähnen 24,25,26 des ersten Rotors 12, der Gehäusewand 16 und dem zweiten Rotor 14 werden jeweils Kammern 30,31,32 verschiedenen Volumens ein- geschlossen. Durch die mehrstufige Ausbildung mit drei Stufen 20,21,22 verschiedener Kammervolumina kann an der Saugseite, d. h. im Bereich des Saugstutzens 34 ein Unterdruck von z. B. 10 mbar erzeugt werden. Das am Saugstutzen 34 angesaugte Gas von 10 mbar Druck wird in den drei Stufen 20,21,22 auf mindestens atmosphärischen Druck komprimiert, um durch den Auspuff 36 an der Druckseite ausgestoßen zu werden. Auch der zweite Rotor 14 bildet mit der Gehäusewand eine zweite parallele Pumpe.

Schraubenvakuumpumpen mit innerer Verdichtung können auch mit Schraubenrotoren realisiert werden, die sich über die Länge be- züglich des Durchmessers und/oder der Steigung kontinuierlich verändern, so dass das Arbeitsraumvolumen von der Saug-zur Druckseite kontinuierlich kleiner wird. Je mehr Kammern in Reihe zwischen Eintritt und Austritt angeordnet sind und je besser abgedichtet diese Kammern sind, desto niedriger ist der erreichbare Druck auf der Saugseite. Die kontinuierliche oder stufenweise Verkleinerung bewirkt eine deutliche Reduzierung der Antriebsleistung und der Antriebsmotorgröße sowie besonders kurze Rotoren.

Am Beginn der Evakuierung eines Gefäßes kann der Ansaugdruck an dem Saugstutzen 34 dem atmosphärischen Druck von 1013 mbar ent- sprechen. Bei einer Verdichtung des angesaugten Gases in der mittleren Stufe 21 würde der Gasdruck in dem entsprechenden Ar- beitsraum 31 ohne Druckausgleich deutlich über den atmosphärischen Druck ansteigen, was eine erhebliche mecha- nische Belastung bewirken und eine hohe Antriebsleistung erfor- dern würde. Zum Druckausgleich sind zwischen zwei der drei Stufen 21,22 als Ventile Ventilkanäle 41a, 41b, 42a, 42b vorge- sehen, die jeweils von einem Spalt zwischen der kreiszylinder- artigen Pumpenraumgehäuseinnenwand 17 und dem jeweiligen Zahn- kopf 45a, 45b, 46a, 46b der Zähne 25, 26 gebildet werden. Der erste Ventilkanal 40 befindet sich an einer Stelle, an der die erste signifikante Änderung des Kammervolumens auftritt. Die davon saugseitigen Zähne 24 bilden keinen Ventilkanal.

Der von den Zahnköpfen 45a, 45b, 46a und 46b und der Gehäusen- nenwand 17 gebildete Ventilkanal ist im Längsschnitt jeweils asymmetrisch ausgebildet, wie in den Fign. 2a, 2b, 4 und 5 dar- gestellt. Der Zahnkopf 45b weist in der Querschnittsdarstellung der Fign. 2a und. 2b einen Kanaleinlaß 50 an der Saugseite, daran anschließend einen Kanalabschnitt 52 und an der Druck- seite einen Kanalauslaß 54 auf. Die Vorderkante 56 des Kanaleinlasses 50 ist stark gekrümmt, d. h. hat einen Radius oder Kantenbruch von wenigen Millimetern. An die stark ge- krümmte Vorderkante 56 schließt sich in dem Kanalabschnitt 52 ein Spalt mit einer konstanten Spalthöhe von ungefähr 150 um an. Die Spaltlänge, also die Kanalabschnittslänge beträgt z. B.

20 mm. An den Kanalabschnitt 52 mit der Zahn-Kanalwand 58 schließt sich die Auslaßwand 60 des Kanalauslasses 54 an, die ungefähr 10° geneigt ist zu der Kanalwand 58. Diese Abschrägung des Zahnkopfes 45b bildet zusammen mit der Gehäuseinnenwand 17 einen konischen, d. h. im Längsschnitt einen keilartigen Kanal- auslaß 54. Der Übergang von der Kanalwand 58 zu der Auslaßwand 60 hat einen relativ großen Radius von z. B. 10 mm. Die Kanal- höhe kann grundsätzlich im Bereich von ungefähr 50 bis 300 um liegen, der Öffnungswinkel des Kanalauslasses, d. h. der Neigungswinkel der Auslaßwand 60 kann 5° bis 20° betragen. Die exakten Abmessungen des Ventilkanales 41b hängen stark von der Pumpen-bzw. Zahngröße, von den auftretenden Drücken, Gasge- schwindigkeiten, Drehzahlen und gewünschten Ventileigenschaften ab.

Das Verhältnis des engsten Kanalabschnittes und des Endquer- schnittes des Kanalauslasses 54 beträgt ungefähr 1 : 3, kann aber generell im Bereich von 1 : 1,5 und 1 : 5 liegen. Die Länge des Kanalauslasses beträgt hier etwa ungefähr 20 mm.

Zwar wird das Ventil von einem in beiden Richtungen durchgän- gigen Ventilkanal 41b gebildet, doch hat der Ventilkanal durch seine asymmetrische Ausgestaltung eine Vorzugsrichtung, d. h. eine Durchlaßrichtung und eine entgegengesetzte Sperrichtung.

Der sperrende Ventilkanal 41b ist in Fig. 2a dargestellt, in der in der saugseitigen Kammer 31 ein geringerer Druck herrscht als in der Kammer 32 auf der Druckseite. In diesem Fall strömt komprimiertes Gas aus der druckseitigen Kammer 32 durch den konischen Kanalauslaß 54 in den Kanal 52 ein. Das eingeströmte Gas ist aufgrund der trichterartigen Verengung des Kanalauslas- ses 54 in Flußrichtung in dem Kanalabschnitt 52 erheblich be- schleunigt. Das beschleunigte Gas in dem Kanalabschnitt 52 strömt mit hoher Geschwindigkeit zum Kanaleinlaß 50, wo die Strömung an der stark gekrümmten Vorderkante 56 abreißt, die den Einlassbereich bildet. Dadurch werden in diesem Bereich Turbulenzen erzeugt. Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass sich der Zahnkopf 46 und damit auch die stark gekrümmte Vorderkante 56 entgegen der Strömungsrichtung des Gases in dem Kanalabschnitt 58 bewegt. Die Turbulenzen verkleinern strömungsphysikalisch den effektiven Strömungsquerschnitt des Kanaleinlasses 50, so dass der Strömungswiderstand des Kanaleinlassses 50 ansteigt. Die beschriebenen Effekte bewirken in dem Ventilkanal 41b eine Sperrwirkung für Gasströmungen von der Druckseite 32 zur Saugseite 31.

Der umgekehrte Fall ist in Fig. 2b dargestellt. Wegen eines hohen Ansaugdruckes und der Verkleinerung der Kammern in Förde- rung herrscht in der saugseitigen Kammer 31 ein erheblich höherer Gasdruck als in der druckseitigen Kammer 32. In diesem Fall strömt das überkomprimierte Gas an der Vorderkante 56 des Kanaleinlasses 50 vorbei und wird dabei erheblich beschleunigt.

Das beschleunigte Gas läuft durch den Kanalabschnitt 52, in dem es je nach Länge und Oberflächenbeschaffenheit der Gehäusen- nenwand 17 und der Kanalwand 58 in gewissem Maße gedrosselt wird. Das Gas strömt aus dem Kanalabschnitt 52 in den leicht konischen KanalauslaR 54 ein. Der Kanalauslaß 54 ist in jedem Fall derart gestaltet, dass beim Ausströmen des Gases aus dem Kanalabschnitt 52 in Durchlaßrichtung keine Ablösungen auf- treten, sondern stets eine an der Wand anliegende Strömung er- halten bleibt. Auf diese Weise wird der Strömungswiderstand des gesamten Ventilkanals in Durchlaßrichtung klein gehalten. Die Erweiterung des Kanalquerschnittes im Auslaßbereich 54 wirkt als Diffusor, in dem die Strömung verzögert und der Druck zum Austritt hin angehoben wird.

Es ist zweckmäßig, nur dort Ventile vorzusehen, wo im Betrieb tatsächlich eine Überkompression verhindert werden muss. Dies ist z. B. bei den Zahnköpfen 45a, 45b, 46a, 46b der Fall, nicht aber an den Zähnen 24 der ersten Stufe 20.

Ein Ventil zwischen Bereichen verschiedenern Arbeitsraum- volumina kann auch durch Vorsehen eines Ventilkanales in Form einer Längsbohrung durch einen Schraubenzahn oder in Form einer Nut im Zahnkopf erfolgen. Der Ventilkanal kann grundsätzlich auch als Bohrung oder Nut in dem Gehäuse 16 ausgebildet sein.

Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung und Anordnung ver- bindet der Ventilkanal 11 in jedem Fall stets zwei Kammern 31,32 miteinander, wie in Fig. 8 dargestellt und nicht eine Kammer direkt mit dem Auspuff 36 oder der Atmosphäre. Auf diese Weise wird eine kaskadenartige Ventilanordnung in der Pumpe 10 realisiert, so dass auch bei Fehlfunktionen eines Ventiles etwa durch Verschleiß der Druckverlust auf die Druckdifferenz zwischen zwei benachbarten Kammern 31,32 begrenzt ist.

In Figur 3 ist die Situation beim Ineinandergreifen eines Ro- torzahnes 25 mit einem Zahnfuß 64 des Gegenrotors 14 darge- stellt. Der Zahnfuß 64 ist in seiner Kontur der Kontur des Ro- torzahnkopfes 45a derart angepaßt, dass der Dichtungsspalt zwischen Rotorzahnfuß 64 und Rotorzahnkopf 45 möglichst klein ist, um unerwünschte Leckströmungen an dieser Stelle zu ver- meiden.

In den Figuren 4 und 5 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele für die Gestaltung der Zahnkopfkontur gezeigt.

Der in Figur 4 dargestellte Zahnkopf 70 hat einen Kanaleinlaß mit kleinem Radius 71, einen relativ langen Kanalabschnitt 72 konstanten Kanalquerschnittes und einen sich bogenförmig öff- nenden Kanalauslaß 73. Während der Kanaleinlaß 71 nur wenige Millimeter lang ist, kann der Kanalabschnitt 72 eine Länge von ungefähr 20 mm und der Kanalauslaß 73 eine Länge von deutlich mehr als 20 mm aufweisen. Die Öffnungsweite des Kanalauslasses 73 ist um ein Vielfaches, vorzugsweise um ein ungefähr Drei- faches größer als die des Kanaleinlasses 71.

In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zahn- kopfes 80 dargestellt, der einen Kanaleinlaß 81 mit einem Vorderkantenradius von ungefähr 5 mm aufweist. Der an- schließende Kanalabschnitt konstanten Querschnittes hat eine sehr kleine Länge von ungefähr 10 mm. Der sich an den Kanalab- schnitt 82 anschließende Kanalauslaß 83 hat eine Länge von un- gefähr 30 mm und ist über seine gesamte Länge bogenartig ge- krümmt ausgebildet. Im Extremfall, z. B. bei schmalen Zahnköpfen kann der konstante Kanalabschnitt 52 oder 82 wegfallen, so dass der Eintrittsradius 81 direkt in den Austrittsdiffusor 54 oder 83 übergeht.

In der Figur 6 ist eine Draufsicht auf die druckseitige Stirn- wand 18 des Gehäuses 16 dargestellt. In der Stirnwand 18 ist eine kreissegmentartige Auslaßöffnung 28 vorgesehen, durch die das verdichtete Gas aus der Kammer 32 in den Auspuff 36 strömen kann. In dem in Figur 7 gezeigten Schnitt der Linie VII-VII der Figur 6 ist zu erkennen, dass auch das auslaßseitige Stirn- profil 90 in der zuvor beschriebenen Weise als diffusorartiger und asymmetrischer Ventilkanal 92 ausgebildet ist. Auf diese Weise wird auch zwischen der letzten druckseitigen Kammer 32 und dem Auspuff 36 bzw. der Atmosphäre ein Ventil realisiert, das bei einem Arbeitsraumdruck über Auspuffdruck einen Druck- ausgleich der Kammer 32 ermöglicht, bevor der Arbeitsraum die Auslaßöffnung 28 erreicht.

Die Kammern haben ein Überdruckventil, das nicht zur Atmosphäre, sondern zu einer benachbarten Kammer führt. Auch bei defektem, also in Sperrichtung durchlässigem Ventil, wird die betroffene Kammer mit dem Gasdruck der benachbarten Kammer, jedoch nicht mit Atmosphärendruck belüftet.




 
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