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Patent Searching and Data


Title:
INTERNAL-AXIS SCREW DISPLACEMENT MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/042661
Kind Code:
A1
Abstract:
In internal axis displacement machines in prior art, screw rotors with parallel axes operate with varying pitches and/or varying transverse profiles to achieve an internal compression at rotational speed ratios of (x+1):x without an internal spacer (= GE-Rotor) in a manner which is satisfactory in many respects. However, the geometry of said machines requires complex production processes, such as machining/erosion involving high production costs and leading to problems related to assembly, alignment and servicing. The invention provides the basis for significant economies in rotor manufacture by defining novel rotor geometry, thus solving the problems related to assembly and servicing. The inventive variation of the gap between rotors, made possible by axially offsetting the rotors in relation to one another, overcomes the problems of alignment and allows the rotational speed, pressure differential, temperature and other process data to be adapted during operation. The capacity to achieve intense compression rates from 1:1 (= isochore) up to approximately 1:10 opens up a wide range of uses for pumps of between approximately 10 m?3¿/h and 100 m?3¿/h in the chemical/pharmaceutical, packaging and semiconductor manufacturing industries.

Inventors:
BECHER ULRICH (CH)
Application Number:
PCT/CH1999/000588
Publication Date:
June 14, 2001
Filing Date:
December 07, 1999
Export Citation:
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Assignee:
BUSCH SA ATEL (CH)
BECHER ULRICH (CH)
International Classes:
F04C18/107; (IPC1-7): F04C18/107
Foreign References:
CH263376A1949-08-31
US5603614A1997-02-18
US5788470A1998-08-04
US5927958A1999-07-27
Attorney, Agent or Firm:
BOVARD AG (Optingenstrasse 16 Bern 25, CH)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verdrängermaschine, insbesondere zur Verwendung als Vakuum pumpe, mit in einem Gehäuse beweglich parallelachsig angeordneten, in ge genseitigem Kämmeingriff stehenden Rotoren (1, 11), die axial gestaffelte, im Betrieb wandernde, variable Kammern bilden und die in innenachsiger Bauart ausgeführt sind als hohler Aussenrotor (1) mit innerem Wendelgang (2) und Innenrotor (11) mit äusserem Wendelgang (12), mit wahlweise variierenden Steigungen sowie mit jeweils längs der Rotorachsen (3, 13) variierenden Rotor Stirnprofilen, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Projektionen zweier beliebiger Stirnprofile ein und desselben Rotors in dieselbe Ebene keine ge meinsamen Punkte aufweisen, die Rotoren (1, 11) also axial hinterschnitffrei sind und solchermassen in einfacher Weise durch Axialbewegungen in die Ar beitspositionen plaziert und im Eingriff axial gegeneinander verstellt werden können.
2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (1, 11) zumindest im Bereich des Gegeneingriffs keine Tei lungsfugen aufweisen und dass gleichzeitig für einen beliebigen der beiden Rotoren (1, 11) die Steigung frei definierbar ist als abhängige Variable vom Umschlingungswinkel.
3. Verdrängermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass saugseitig kleine Stirnprofile und grosse Steigungen, druckseitig grosse Stirnprofile und kleine Steigungen realisiert sind, wodurch die Verdrängerwir kung durch die Zentrifugalkraft noch unterstützt wird, insbesondere bei hohen Drehzahlen sowie in verstärktem Masse bei Medien mit grossem Flüssigkeits anteil.
4. Verdrängermaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte und die Steigungen der Rotoren (1, 11) so gestaltet sind, dass die Volumina der Kammern bei der Axialbewegung trotz Formänderung konstant bleiben, wodurch die Verdrängermaschine mit isochorer Verdichtung arbeitet.
5. Verdrängermaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte und die Steigungen der Rotoren (1, 11) so gestaltet sind, dass die Volumina der Kammern bei der Axialbewegung derart abnehmen, dass Verdichtungsraten über 1 : 1 bis 1 : 5 resultieren.
6. Verdrängermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, saugseitig grosse Stirnprofile und grosse Steigungen, druckseitig kleine Stirnprofile und kleine Steigungen realisiert sind, wodurch Verdichtungsraten von 1 : 2 bis 1 : 10 erreicht werden.
7. Verdrängermaschine nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 6, da durch gekennzeichnet, dass die Spalten zwischen den axial gestaffelt angeord neten Kammern durch Änderung der relativen Axialposition beider Rotoren (1, 11) gegeneinander im Stillstand oder auch während des Betriebes veränderbar sind.
8. Verdrängermaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der relativen Axialposition beider Rotoren (1, 11) gegenein ander saugseitig kleine, druckseitig grosse Spaltquerschnittsänderungen be wirkt und dass solchermassen eine kontinuierlich verstellbare Druckdifferenzre gelung realisiert ist.
9. Verdrängermaschine nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 6, da durch gekennzeichnet, dass die Rotoren (1, 11) aus formbarer Masse in zwei teiligen Formen gefertigt sind, wobei die Formteilung nicht über die im Gegen eingriff stehenden Rotorflächen verläuft, sondern jeweils am Rotorende liegt.
10. Verdrängermaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwerkstoff Keramik und/oder Kunststoff ist.
11. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, dass einer der beiden Rotoren zentral am Gehäuse fi xiert ist und der jeweils andere Rotor in einem zentral gelagerten Trägerrotor exzentrisch gelagert ist und planetarisch angetrieben umläuft.
12. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, dass beide Rotoren (1, 11) im Gehäuse drehbar gela gert sind.
Description:
Innenachsige Schrauben-Verdrängermaschine Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine, insbesondere zur Verwendung als Vakuumpumpe, mit in einem Gehäuse beweglich parallelach- sig angeordneten, in gegenseitigem berührungsfreiem Kämmeingriff stehenden Rotoren, die axial gestaffelte, im Betrieb wandernde, variable Kammern bilden und die in innenachsiger Bauart ausgeführt sind als hohler Aussenrotor mit in- nerem Wendelgang und Innenrotor mit äusserem Wendelgang, mit wahlweise variierenden Steigungen sowie mit jeweils längs der Rotorachsen variierenden Rotor-Stirnprofilen.

Nachfolgend werden aussenachsige und innenachsige Schrauben- Verdrängermaschinen anhand einiger typischer Problemkomplexe miteinander verglichen. Innenachsige Maschinen können bei gleichen Leistungen kompak- ter gebaut werden als aussenachsige. Bei beiden Typen kann die Synchronisa- tion der Rotoren beispielsweise über Zahnräder oder Zahnriemen erfolgen, wo- bei der heute für viele Anwendungen angestrebte Trockenlauf bei innenachsi- gen Maschinen leichter zu erreichen ist. Auch die Rotorkühlung ist bei in- nenachsigen Maschinen leichter realisierbar und Pumpen dieses Typs sind thermisch weniger kritisch. Die Fertigung der Rotoren ist bei beiden Typen von Schrauben-Verdrängermaschinen verhättnismässig aufwendig. Es werden vor- wiegend metallische Werkstoffe verwendet, die nicht selten gegossen werden, wobei jedoch eine spanabhebende Bearbeitung praktisch immer erforderlich ist.

Bei den innenachsigen Maschinen muss manchmal mindestens einer der Roto- ren mehrstückig hergestellt werden, damit die Rotoren überhaupt montiert wer- den können. Bei aussenachsigen Schrauben-Verdrängermaschinen ist eine innere Kompression bis zu etwa 1 : 3 problemlos erreichbar. Innenachsige Ma- schinen erreichen dagegen ohne Schwierigkeiten eine innere Kompression bis zu ca. 1 : 5. Soll eine Druckbegrenzung realisiert werden, was bei hoher innerer Kompression zwecks Vermeidung einer Überhitzung der Maschine ratsam sein kann, ist es bei aussenachsigen Maschinen bekannt, diese mit Schiebern aus- zurüsten. Bei innenachsigen Maschinen können zu diesem Zweck Vorauslass- kanäle und entsprechende Ventile eingebaut werden. Bei aussenachsigen Ma- schinen ist es bekannt, den Spalt zwischen Rotor-Aussendurchmesser und Ge- häuse zu regeln, um beispielsweise der Wärmeausdehnung im Betrieb Rech-

nung zu tragen. Eine solche Regelung erfordert etlichen Aufwand. Adäquate Regelungen bei innenachsigen Maschinen sind der Anmelderin nicht bekannt.

Das Messen und Einstellen des Spiels zwischen den Rotoren ist bei innenach- sigen Maschinen eher schwieriger zu bewerkstelligen als bei aussenachsigen.

Die Montage der Rotoren im Gehäuse gestaltet sich bei aussenachsigen Ma- schinen relativ einfach, zumindest bei Rotoren mit einer kreiszylindrischen Au- ssenmantelfläche. Bei innenachsigen Maschinen nach dem Stand der Technik muss der Innenrotor mit einer drehenden Bewegung in den Aussenrotor einge- führt werden. Bei Rotoren mit variabler Steigung ist dies aber meistens nicht möglich, so dass es oft erforderlich ist, einen der Rotoren mehrstückig auszu- bilden. Schliesslich ist die Zugänglichkeit des Pumpenraums zwecks Reparatur- und Wartungsarbeiten aus den soeben genannten Gründen bei aussenachsi- gen Maschinen meistens einfacher als bei innenachsigen.

Andere Problemkreise wie beispielsweise die dynamische Abdich- tung oder die Rotor-Auswuchtung sind bei beiden der genannten Typen sehr ähnlich. Insgesamt bieten aber die innenachsigen Maschinen aufgrund obiger Erläuterungen eine bessere Ausgangsbasis zum Erreichen der weiter unten genannten Ziele.

In der französischen Patentschrift 695539 ist eine als Pumpe oder Motor verwendbare Verdrängermaschine offenbart, bei der ein hohler Aussen- rotor mit inneren Wendelgängen und ein massiver Innenrotor mit mindestens einem äusseren Wendelgang miteinander im Kämmeingriff stehen. Die Rotoren sind parallelachsig angeordnet und der Aussenrotor hat eine um 1 grössere Gangzahl als der Innenrotor.

Die schwedische Patentschrift 85331 zeigt beispielsweise in Figur 14 eine Verdrängermaschine mit parallelachsig angeordneten, in gegenseitigem Kämmeingriff stehenden Rotoren, die in innenachsiger Bauart ausgeführt sind als hohler Aussenrotor mit innerem Wendelgang und Innenrotor mit äusserem Wendelgang.

Bei keiner dieser Maschinen ist jedoch eine variable Steigung oder eine axiale Hinterschnittfreiheit der Wendelgänge der Rotoren realisiert.

In der deutschen Offenlegungsschrift 2434782 ist ebenfalls eine Ver- drängermaschine offenbart, bei der ein hohler Aussenrotor mit innerem Wen- delgang und ein Innenrotor mit äusserem Wendelgang miteinander in Käm- meingriff stehen, wobei die Profile über die Rotorlänge eine alternierende Stei- gung aufweisen. Damit diese Rotoren montiert werden können, ist der Aussen- rotor zweiteilig ausgeführt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegen der Erfindung fol- gende Aufgaben zugrunde. Die Fertigung der Rotoren soll stark vereinfacht werden, wobei gleichzeitig auch die Montage und Demontage der Rotoren zu verbessern ist, wodurch ebenfalls der Zugang des Pumpraums zwecks War- tungs-und Reinigungsarbeiten vereinfacht wird. Ferner soll eine Spaltregelung in einfacher Weise erfolgen können und bei hohen Verdichtungsraten soll mit geringem Aufwand eine Druckbegrenzung realisierbar sein. Diese Aufgaben sollen durch die Erfindung ohne allzu negative Auswirkungen auf die Baugrösse und die innere Kompression der Verdrängermaschine, sowie auf die Synchroni- sation und Kühlung der Rotoren gelost werden.

Diese Aufgaben werden durch eine Verdrängermaschine gelöst, wel- che die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Neben dem bereits genannten Vorteil der einfachen Montierbarkeit hat die axiale Hinterschnittfreiheit der Rotoren noch weitere Vorteile. Die Stei- gung ist auch für einstückige Rotoren frei definierbar, so dass im Zusammen- spiel mit dem Querschnittsverlauf ein Volumenverlauf bestimmt werden kann, um eine gewünschte Verdichtung zu realisieren. Die Rotoren können in sehr einfacher Weise mittels Formen, beispielsweise durch Giessen, einstückig her- gestellt werden. Die Formen sowohl für den Aussenrotor, als auch für den In- nenrotor können dabei so getrennt werden, dass die Trennlinien nicht über die Rotorprofile verlaufen, was eine Minimierung der erforderlichen Nacharbeit be- wirkt. Schliesslich kann das Spiel zwischen den Rotoren sehr einfach durch axiales Verstellen der relativen Rotorpositionen eingestellt werden, bei entspre- chender Ausgestaltung der Maschine sogar während des Betriebes.

Besondere Ausführungsarten der erfindungsgemässen Verdränger- maschine sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt Figur 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht des Rotorpaars, Figur 2 einen Längsschnitt des Aussenrotors, Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Innenrotors, Figur 4 die geometrischen Verhältnisse und gegenseitige Anordnung von Innenrotor, Aussenrotor und Träger, Figur 5 einen Querschnitt durch den Aussenrotor, Figur 6 einen Querschnitt durch den Innenrotor, in der selben Ebene wie der Querschnitt durch den Aussenrotor entsprechend Figur 5, und Figur 7 Querschnittsentwicklung und mögliche Steigungsverläufe des Aus- senrotors.

In der perspektivischen Ansicht von Figur 1 ist der Aussenrotor 1 halb geschnitten dargestellt, so dass der Innenrotor 11 sichtbar ist. Die Wen- delgänge des Aussenrotors 1 sind mit 2 und jener des Innenrotors 11 mit 12 bezeichnet. Am oberen, saugseitigen Ende des Aussenrotors 1 befindet sich ein zylindrischer Ansatz 4, mit dem der Aussenrotor 1 in einem Träger gelagert wird.

Figur 2 zeigt den Aussenrotor 1 in einem axialen Längsschnitt, in dem die inneren Wendelgänge 2 besser sichtbar sind, als in Figur 1.

Die perspektivische Ansicht gemäss Figur 3 des Innenrotors 11 ent- spricht im wesentlichen derjenigen von Figur 1.

Figur 4 zeigt anhand eines Beispiels schematisch die geometrischen Verhältnisse und gegenseitige Anordnung von Aussenrotor 1 und Innenrotor 11.

Bei dem Beispiel wird von einem zweigängigen Aussenrotor 1 mit ovalem inne- rem Querschnitt ausgegangen, in dem ein eingängiger Innenrotor 11 kämmt.

Die Bezugszahl 3 bezeichnet die Achse des Aussenrotors 1, 13 ist die Achse des Innenrotors 11 und 14 das Zentrum des Profils des Innenrotors 11. Die in- nere, ovale Oberflache des Aussenrotors 1 ist mit 5 bezeichnet und die äusse- re, kreisrunde Oberfläche des Innenrotors 11 trägt die Bezugszahl 15.

Die in den nachfolgenden Formeln verwendeten Symbole haben fol- gende Bedeutung : a = Umschlingungswinkel am Aussenrotor 1 Fa = Querschnittsfläche an der Stelle a £ = Exzentrizität R<a> = Radius R in Abhängigkeit von a dR = Differentialquotient da Rj = Bezugsradius R an der Stelle a = 2# 1 #k = Hinterschnittfaktor T = Konstante (siehe [4]) W = Axialposition eines Querschnittes L = Bezugsschritt (in a = 27t) <BR> <BR> L,<BR> <BR> <BR> -Bezugssteigung (in a = 2n)<BR> <BR> <BR> 2# dW = dynamische Steigung = Differentialquotient von W da a2 = Obergrenze des Integrals -Kreiszahl (3, 1415...) Für dieses Profil ist die Kammerquerschnittsfläche Fα = 4#(1 - cos α)R <α> [1] Die Forderung nach axialer Hinterschnittfreiheit ist mathematisch ausgedrückt dR #2#dα. Die hier ausgewählte Funktion

R < a >= Rj +2ke (a-2Z) erfüllt diese Bedingung für alle k #1. Daraus ergibt sich <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> R < α ><BR> <BR> <BR> - = 1 + T(α - 2#) [2]<BR> Rj<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> mit Rj = R < 2# > [3]<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> T= [4] Ri Die der Formel [2] und den Bedingungen [3] und [4] entsprechende Kurve ist im Diagramm gemäss Figur 7 mit 31 bezeichnet.

Für einen linearen Steigungsverlauf gilt <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Du<BR> <BR> <BR> W<a>=-a ;-=- Für einen nicht linearen Steigungsverlauf gilt allgemein dw Li/2# . du < a > und daraus da 2n dw Lj/2#g< α > dα [5] wobei g<a> eine dimensionslose Funktion >0 ist.

Das Kammervolumen rechnet sich aligemein mit Einsatz von [5] #

(aligemein) [6a] und mit Einsatz von [1] (profilspezifisch) [6b] Diese Formel [6b] gilt für das Kammervolumen bei stehenden Roto- ren in Ausgangsposition für a2=2n :, 47r und 6#.

Für beliebige Rotorpositionen mit a2=27r... ae lautet die Formel Setzt man wobei h<a> wiederum eine dimensionslose Funktion ist, erhält man Für eine isochore Maschine lässt sich aus der Formel [6d] folgende hinreichende Bedingung herleiten : h < a >so= konstant =, h < a iSo= 9 R = konstant = A Ri

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch den Aussenrotor 1 mit der im Querschnitt ovalen, inneren Aussparung (Oberfläche 5) und der Achse 3, wobei die Enden des Ovals den Radius R aufweisen. Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch den Innenrotor 11 in der selben Ebene wie der Querschnitt durch den

Aussenrotor 1 entsprechend Figur 5. Der Radius R der kreisrunden Quer- schnittsfläche (Oberfläche 15) entspricht dem vorangehend erwähnten Radius R beim Innenrotor 11.

Figur 7 veranschaulicht anhand eines Diagramms mögliche Stei- gungsverläufe der Rotorwendelgänge des Aussenrotors in Funktion des Um- schlingungswinkels, wobei auf der Abszisse der Umschlingungswinkel a darge- stellt ist. Die Kurve 31 entspricht einer Querschnittänderung mit einer Radius- zunahme wie unter [2] definiert zur Realisierung der Hinterschnittfreiheit. Die Kurve 32 entspricht der Formel [7] und ist proportional zum Steigungsverlauf des Aussenrotors einer isochor arbeitenden Maschine. Die Kurve 33 ist propor- tional zum Steigungsverlauf des Aussenrotors einer Maschine, bei der in Kom- bination mit Querschnittänderungen entsprechend Kurve 31 Verdichtungsraten über 1 : 1 bis 1 : 5 erreicht werden. Saugseite bei a=O.

Die Kurve 34 ist proportional zum Steigungsverlauf des Aussenrotors einer Maschine, bei der in Kombination mit Querschnittänderungen entspre- chend Kurve 31 Verdichtungsraten von 1 : 2 bis 1 : 10 erreicht werden. Saugseite bei a=ae.