DE1026036B

DE1026036B - Cooling of a mechanical high vacuum blower pump based on the Roots principle

Info

Publication number: DE1026036B
Application number: DEH21929A
Authority: DE
Inventors: Dr Albert Lorenz
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1954-10-28
Filing date: 1954-10-28
Publication date: 1958-03-13

Description

Kühlung einer mechanischen Hochvakuumgebläsepumpe nach dem Rootsprinzip Die Erfindung betrifft die Kühlung einer mechani.scbe:n Hochvakuumgebläsepumpe vom Rootstyp, die in einer Kühleinrichtung besteht, die ohne Behinderung der Drebkolben-Rotation in. möglichst weitgehender Annäherung an die- Form des Pumprauins im Ausgangsstutzen angebracht ist.Cooling of a mechanical high vacuum fan pump based on the Roots principle The invention relates to the cooling of a mechani.scbe: n high vacuum blower pump from Root type, which consists of a cooling device that does not impede the rotation of the rotary piston in. As close as possible to the shape of the pump roughness in the outlet nozzle is appropriate.

Gebläsepumpen nach dem Roatsprinzip werden seit langer Zeit für die Förderung von Gasen und Flüssigkeiten benutzt. Soweit sie- bei Gasen eine merkliche Drucksteigerung erzeugen, tritt die dadurch thermodynamisch gegebene Erwärmung der geförderten Gase in vielen Fällen. störend in Erscheinung. So war es nötig, in diesen Fällen einen Kühler in die Förderleitung einzubauen, um entweder diese Erwärmung zu beneitigen, um nachfolgende Gebläse usw. nicht zu stark zu erwärmen, oder auch das Gas auf eine gewünschte niedrige Temperatur zu bringen. Der Ort des I-iriba.Lis eines solchen Kühlers ist im allgemeinen nicht kritisch; zum Stande der Technik gehört der l#-iiil;au eines solchen Kühlers im Pumpausgang.Blower pumps based on the Roat principle have long been used for the Used for conveying gases and liquids. As far as they - a noticeable one with gases Generate pressure increase, occurs the thermodynamically given heating of the conveyed gases in many cases. disturbing in appearance. So it was necessary in these Cases to build a cooler in the delivery line to either heat this up to be removed in order not to heat the following blowers etc. too much, or else bring the gas to a desired low temperature. The place of the I-iriba.Lis such a cooler is generally not critical; the state of the art belongs to the l # -iiil; au of such a cooler in the pump outlet.

In der letzten Zeit werden diese Gebläsepumpen nach dem Rootsprinzip auch im Hochvakuum eingesetzt. Dabei zeigten sich gewisse Besonderheiten.Lately these blower pumps have been working on the Roots principle also used in high vacuum. Certain peculiarities were revealed.

Im Hocliva.kuum ist die Gasdichte und damit die durch die Kompression der geförderten Gase erzeugte \V<ii-nieinenge außerordentlich gering. Der Ansaug-(.lr,icls, 1)eispielsweise etwa l0-4 Torr, ist 107 mal kleiner als der Atmosphärendruck und der Vorvakuumdruck, beispielsweise etwa 10-= Torr, auch noch um den Faktor 105. Trotz dieses unerwartet hohen Kom-1-,reIsionsverliältnisses von etwa 100 und darüber ist aber infolge der starken Gasverdünnung die Wärmeerzeugung praktisch vernachlässigbar gering, so daß ihretwegen eine besondere Kühlung der Pumpe nicht erforderlich wäre.In the Hocliva.kuum the gas density and thus the \ V <ii-tightness produced by the compression of the gases being conveyed is extremely low. The suction - (. Lr, icls, 1) e.g. about 10-4 Torr, is 107 times smaller than atmospheric pressure and the fore-vacuum pressure, e.g. about 10- = Torr, is also by a factor of 10 5 . Despite this unexpectedly high Kom-1, ReIsionsverliältnis of about 100 and above, the heat generation is practically negligible due to the strong gas dilution, so that special cooling of the pump would not be necessary because of it.

Die Hoclivaktiumgeb,läse nach dem Roottsprinzip l;esitzen aber Drehzahlen, die meist wesentlich höher liegen. als die jener Gebläse, die bei, etwa normalen. Drucken benutzt werden. Eine ungleichmäßige Wärmeausdelin.ung von Drehkolben und Pumpgehäuse kann darum bei jenen wesentlich mehr Anlaß zu Störungen geben, wie z. B. einem Verklemmen der Drehkolben. Darum ist es von günstiger Wirkung auf die Betriebsweise der Hochvakuumpumpe, die entgegen der obigen Überlegung auftretende merkbare Erwärmung möglichst gering zu halten.The Hoclivaktiumgeb, read according to the Roott principle, but there are speeds, which are usually much higher. than those of those fans that are at, about normal. Printing can be used. An uneven heat development of the rotary piston and Pump housing can therefore give much more cause for disturbances in those, such. B. jamming of the rotary lobes. That is why it has a beneficial effect on the mode of operation the high vacuum pump, the noticeable warming that occurs contrary to the above considerations to be kept as low as possible.

Es wird daher vorgeschlagen, die Kühlung einer mechanischen Hochvakuumgebläsepumpe nach dem Rootsprinzip dadurch vorzunehmen:, daß der im Auslaßstutzen schon. bekannte Kühler so geformt ist, daß r in die Pumpe hinein, bis zu den Umlaufkonturen der Dreliko.lben herangeführt ist.It is therefore proposed that a mechanical high vacuum fan pump be cooled to be carried out according to the Roots principle: that the one in the outlet connection already. acquaintance The cooler is shaped so that r into the pump, up to the circumferential contours of the Dreliko.lben is introduced.

1 ie bisher bekannte Kühlerform war nicht in die Pumpe hineingezogen; sie kühlte nur das hindurchströmende, geförderte Arbeitsmittel (Gas). Der bis an die Umlaufkontur der Drehkolben herangeführte Körper bewirkt aber eine Kühlung der Pumpe selbst. Sowohl das Gehäuse wie auch die, Drehkolben: nehmen eine geringere Temperatur an. Dies beruht darauf, claß ein in die Pumpe hineinreichender Kühler auch einen wesentlichen Teil der Wärme abführt, die sonst von den Pumpenteilen aufgenommen wird. Ein nicht in die Pumpe hineingezogener Kühler führt je! nach seiner Bauart bis zu etwa, 50 bis 65 % der Leistung ab, die in der Pumpe bei der dort auftretenden Kom-1>rcssion umgesetzt wird. Ein in die Pumpe hinein, bis an die Umlaufkonturen herangeführter Kühler leitet aber einen wesentlich höheren Teil dieser in der Pumpe umgesetzten Leistung ab. Wie- hoch dieser .'enteil ist, hängt von der Genauigkeit ab, mit der die Umlaufkontur der Drehkolben vom Kühler erreicht wird. Die gemessenen Werte liegen zwischen etwa 75 und 85 %. Als äußeres, leicht feststellbares Zeichen für die Rückwirkung eines vom Gehäuse wärmeisolierten Kühlers auf die Teile der Pumpe kann die Tatsache dienen, daß die: Gehäusetemperatur bei einem in die Pumpe hineingezogenen Kühler um rund 10° C niedriger ist als bei einem Kühler, der entsprechend dem Stande der Technik nicht in die Pumpe hineinreicht. 1 ie previously known radiator shape was not drawn into the pump; it only cooled the working medium (gas) flowing through it. The body, which is brought up to the circumferential contour of the rotary lobes, cools the pump itself. Both the housing and the rotary lobes assume a lower temperature. This is based on the fact that a cooler reaching into the pump also dissipates a substantial part of the heat that is otherwise absorbed by the pump parts. A cooler that is not drawn into the pump will ever lead! Depending on its design, up to about 50 to 65% of the power that is converted in the pump when the communication occurs there. A cooler that is brought into the pump up to the circumferential contours dissipates a much larger part of this power converted in the pump. How high this part is depends on the accuracy with which the circumferential contour of the rotary lobes is achieved by the cooler. The measured values are between about 75 and 85%. The fact that the housing temperature of a cooler drawn into the pump is around 10 ° C lower than that of a cooler which, according to the State of the art does not extend into the pump.

Dieser Vorschlag beruht auf den nachstehenden Gberlegungen, die durch die- Zeichnung veranscha.ulicht werden.This proposal is based on the following considerations, which are supported by the drawing can be visualized.

Die. Roots-Hochvakuumpumpe besteht aus dem Pumpengehäuse 12 mit dem Ansaugstutzen 10 und dein Auslaß- oder Druckstutzen 11. Die Drehkolben 14 und 15 drehen sich den eingezeichneten Pfeilen entsprechend. Auch die Gasförderung findet entsprechend den Pfeilen von der Hochvakuunileitung ä (oben) zur Vorvakuumleitung 9 (unten) statt.The. Roots high vacuum pump consists of the pump housing 12 with the Intake port 10 and your outlet or pressure port 11. Rotary pistons 14 and 15 rotate according to the arrows shown. The gas production also takes place corresponding the arrows from the high vacuum line ä (above) to Pre-vacuum line 9 (below) instead.

In der gezeichneten Stellung strömt. das Gas aus dem Hochvakuum in das zum Ansaugstutzen 10 hin geöffnete Volumen 1 ein, während das Volumen 13 gerade von der Ansa.ug- zur Druckseite gefördert wird und das Volumen 2 gerade zur Vorvakutun-, ..@uslaßod@er Druckseite hin. geöffnet ist.In the position shown flows. the gas from the high vacuum in the volume 1 that is open towards the intake port 10, while the volume 13 is just is conveyed from the suction to the pressure side and volume 2 is straight to the fore-vacuum, .. @ uslaßod @ er print page. is open.

Das zunächst abgeschlossene Volumen 13 ist von Gas erfüllt, das unter dem Druck der Hochvakuumseite steht. Dieser Druck ist um das Kompressionsverhältnis der Pumpe; geringer als der Druck auf der Vorvakuumseite. Auch das schon zur Vorvakuuniseit2 hin offene, schon geförderte Volumen 2 besaß zuerst den Druck der Hochvakuums.eite, ist in der gezeichneten. Stellung aber schon von der Vorva.kutimseite her nachgefüllt worden. und besitzt jetzt den Druck dieser Seite. Als sich dieses Volumen 2 an der rechten Seite des Auslaßstutzens 11 zur Vorväkuumseite hin öffnete. strömte Gas in dieses Volumen ein, das teilweise aus der Vorvakuumleitung 9 und teils aus dem vorher geförderten, unterhalb des Kolbens 14 vorhandenen Volumen stammte. Dieses einströmende Gas erzeugte in dem Volumen 2. einen Verdichtungsstoß. Und dieser Verdichtungsstaß ist die Ursache der Erwärmung des Pumpeninnern, die vom Kompressionsverhältnis abhängig ist. Bei rationeller Arbeitsweise der Pumpe ist das Kompressionsverhältnis, also das Verhältnis von Vorvakuum- zum Hochvakuumdruck beträchtlich und kann 100 und mehr betragen.The initially closed volume 13 is filled with gas that is below the pressure on the high vacuum side. This pressure is about the compression ratio the pump; lower than the pressure on the fore-vacuum side. Even that for the pre-vacuum period2 Volume 2 that was already open and already conveyed initially had the pressure of the high vacuum side, is in the drawn. Position but already refilled from the Vorva.kutimseite been. and now owns the print of this page. When this volume 2 at the opened the right side of the outlet connection 11 to the Vorväkuumseite. flowed gas into this volume, which is partly from the fore-vacuum line 9 and partly from the previously promoted, present below the piston 14 volume originated. This Inflowing gas generated a shock wave in volume 2.. And this compression stress is the cause of the heating of the inside of the pump, which depends on the compression ratio is. When the pump works efficiently, the compression ratio is, that is the ratio of fore-vacuum to high-vacuum pressure is considerable and can be 100 and amount more.

Da das Kompressionsverhältnis bei den Gebläsen, die- bei normalem Druck (freie Weglänge klein gegenüber den in. der Pumpe vorhandenen, ungedichteten Spalten zwischen den Drehkalben und dem Gehäuse) arbeiten, demgegenüber nur klein ist, tritt das Problem der so entstehenden Erwärmung praktisch nur beim Hochvakuumbetrieb auf. Denn nur hier überwiegt sie die Erwärmung, die das Gas infolge der sonst vorherrschenden Kornpression erfährt und die durch die bekannten Kühleinrichtungen aus dein Gas abgeführt wird.Since the compression ratio in the fans, the- at normal Pressure (free path small compared to the unsealed pressure present in the pump Gaps between the rotary calves and the housing) work, in contrast only small is, the problem of the resulting warming occurs practically only in high vacuum operation on. Because only here does it outweigh the warming caused by the otherwise prevailing gas Compression experiences and that through the known cooling devices from your gas is discharged.

Die in der Figur gezeichnete, den. Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Kühleinrichtung besteht beispielsweise aus einem Satz parallel zum Gasstrom liegender Kühlrippen 4, welche mittels eines Külilschlangensystems 3 und seinen Zu- und Ableitungen 5 und 6 auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden. Ein wesentliches Kennzeichen dieses Kühlsystems ist es, daß es mit möglichst weitgehender Annäherung an die Form des eigentlichen Purnpraums angebracht ist (Umlaufkontur 7 der Drehkolben 14, 15). Und dieses Kennzeichen unterscheidet auch die vorliegende Erfindung von, den bekannten Kühlern für das durch Kompression erwärmte Gas. Für diese Kühler ist es im Prizip gleichgültig, ob der Kühler unmittelbar am Auslaßstutzen oder in. der Druckleitung untergebracht wird.The one drawn in the figure, the. Subject of the present invention forming cooling device consists for example of a set parallel to the gas flow lying cooling fins 4, which by means of a cooling coil system 3 and its Inlet and outlet lines 5 and 6 are kept at a low temperature. A An essential characteristic of this cooling system is that it is as extensive as possible Approach to the shape of the actual Purnpraum is appropriate (circumferential contour 7 of the rotary pistons 14, 15). And this characteristic also distinguishes the present one Invention of the known coolers for the gas heated by compression. For For this cooler, it does not matter in principle whether the cooler is located directly on the outlet connection or in. The pressure line is housed.

Wie üben schon. gesagt, stammt aber nur ein Teil des Gases, das in ein. gerade gefördertes Volumen einströmt, aus dem Auslaßstutzen 11. Nur dieser Teil durchströmt also einen entsprechend dem Stande der Technik nur in den. Ausgangsstutzen 9 eingebauten, nicht in den Pumpraum hincinreichenden Kühler. :Beim Öffnen des Volumens 13 zur Vorvakuumseite hin strömt zwar Gas am linken Rande des Auslaßstutzens 11 durch die Kühlerlamellen 4 hindurch in dieses Volumen ein. Dieses Gas bildet aber nur einen Teil des insgesamt einströmenden Gases. Außerdem strömt Gas aus dem Volumen 2 in das gerade sich öffnende Volumen 13 ein. Und dieses Gas ist schon wann durch den gerade vorher erlittenen Dichtungsstoß, als das Volumen 2 sich zur Vorva.kuumseite hin öffnete.We are already practicing. said, but only part of the gas that is in a. Volume that has just been delivered flows in from the outlet nozzle 11. Only this one According to the state of the art, part flows through only in the. Outlet port 9 built-in cooler that is not sufficient in the pumping chamber. : When opening the volume 13 towards the fore-vacuum side, gas flows at the left edge of the outlet connection 11 through the cooler fins 4 into this volume. But this gas forms only part of the total inflowing gas. In addition, gas flows out of the volume 2 into the volume 13 that is just opening. And this gas is already through when the seal joint suffered just before when volume 2 moves to the fore-vacuum side opened towards.

Dieses Gas nahm aber nicht nur an dem gerade vorhcrgeliendeii Dichtungsstoß teil. Bei einem Kompressionsverhältnis von beispielsweise 100 13.-trägt die Raumerfüllung des im Volumen 13 von der Hochvaltuninseite geförderten Gases jetzt nach seiner Förderung auf die Vorvakuumseite nur den hundertsten Teil der Geometrie dieses Fördervolumens. Urn also ein Volumen 13 vom Vorvakunindruck weiterzutransportieren, sind etwa, hundert solcher taktweise auf die %"orval:uuniseite gebrachte Volumina nötig. Daher stamiut das ins Volumen 2 eingeströmte Gas aus sehr @-ielen früheren Fördertakten und hat sich hei den inzwischen erfolgten Verdichtungsstößen schon ziemlich erwärmt. Dieses Gas würde aber an einem Kühler. der nicht gemäß der Zeichnung in den Punlpraum hineinreicht, vorbeiströmen. und darum nicht gekühlt -,,v,Das wird weitgehend verhindert, wenn man entsprechend der Erfindung die Külilerlainellcn 4 in das Pumpgehäuse hinein verlängert bis zur Kurve 7. die den Raumteil begrenzt, der von den Drehkolben hei der Rotation beansprucht wird. Dann kann mir solches Gas in das sieh öffnende Volumen 13 gelangen, das durch die Kühlerlamellen 4 hindurchgeströmt ist und wenigstens einen Teil der bei den '\'erdiclitungsstößen erzeugten Wärme an sie abgegeben hat.This gas not only took part in the just existing joint part. With a compression ratio of, for example, 100 13th - the space filling contributes of the gas conveyed in volume 13 from the Hochvaltuninseite now after his Funding on the fore-vacuum side only the hundredth part of the geometry of this delivery volume. So to transport a volume 13 from the fore-vacuum pressure on, there are about. Hundred such clocked volumes on the% "orval: unidirectional volumes are necessary. Hence stamiut the gas that has flowed into volume 2 from very much earlier production cycles and has has already warmed up quite a bit because of the compression shocks that have taken place in the meantime. This But gas would go to a cooler. which does not extend into the puncture room according to the drawing, flow past. and therefore not cooled - ,, v, That is largely prevented if according to the invention, the cooling elements 4 are inserted into the pump housing extended to curve 7th which limits the space that is hot from the rotary piston the rotation is claimed. Then I can put such gas into the opening volume 13 arrive, which has flowed through the radiator fins 4 and at least has given up part of the heat generated by the '\' earth pipe collisions.

Im allgemeinen reicht die Wärmeabgabe des Gehäuses 12 der Pumpe aus, um die durch die Diclittin,#ssJße erzeugte Wärme abzugeben. Die Drehkolben 14 und 15 befinden sich jedoch iin Vakuum und haben keinen Kontakt mit dem Gehäuse. Vorteilhafterweise wird man in den Anwendungsbereichen der Pumpe, wo trotz des Kühlers im Auslaßstutzen die Erwärmung unzulässig hohe Werte erreichen kann, die Drehkolben in bekannter Weise zusätzlich durch ein flüssiges Kühlmittel kühlen.In general, the heat dissipation of the housing 12 of the pump is sufficient to give off the heat generated by the diclittin, # ssJße. The rotary piston 14 and However, 15 are in vacuum and have no contact with the housing. Advantageously One becomes in the application areas of the pump, where in spite of the cooler in the outlet connection the heating can reach impermissibly high values, the rotary lobes in well-known Cool with a liquid coolant.

Die Erfindung bedeutet eine wesentliche Verbreiterung des Anwendungsgebietes der Hochvakuum-Rootsptunpen. Insbesondere besitzt sie eine große Bedeutung in den Fällen, wenn sich das Pumpengehäuse nach einem neuerdings gemachten Vorschlag in einem (ler Abdichtung dienenden Vakuumraum befindet.The invention means a substantial broadening of the field of application the high vacuum Rootsptunpen. In particular, it is of great importance in the Cases when the pump housing is in a vacuum space serving as a seal.

Die Erfindung hat im ganzen Anwendungsbereich der neuen Roots-Vakuumpumpen ihren Wert bewiesen. \och bei Drücken von etwa 20 Torr ist die Kompressionswärme gering, die Erwärmung durch den Verdichtungsstoß aber beträchtlich größer wegen der dabei beteiligten größeren Masse des einströmenden Gases. Die Kühlung führt auch: zu einer Erhöhung des Kompressionsverhältnisses, weil sie das GaSVolunien auf der Vorvaku.umseite durch Herabsetzen seiner Temperatur verkleinert.The invention has the whole field of application of the new Roots vacuum pumps proved their worth. Also at pressures of about 20 torr is the heat of compression low, but the warming due to the shock wave is considerably greater because of the larger mass of the inflowing gas involved. The cooling leads also: to an increase in the compression ratio, because they reduce the GaS volume on the fore-vacuum side by lowering its temperature.

Claims

PATENT APPLICATION JCIIB: 1. Cooling device in the outlet connection of a Roots-Hoehvahuumpump, characterized in that the cooler is so: shaped that it is brought up to the circumferential contour of the rotary lobes. ?. Cooling according to claim 1, characterized in that the cooling device consists of a known one. Set of liquid-cooled cooling fins lying parallel to the gas flow. 3. Cooling according to claim 1, characterized in that the cooling device consists in a known manner of honeycomb crossed cooling surfaces. 4. Cooling device according to claim 1, characterized in that the cooler consists in a known manner of tubes through which the working medium is passed. 5. Cooling according to claims 1 to 4, characterized in that, in addition, the rotary calves, in particular the piston wings, are cooled in a manner known per se from the inside, for example by circulating liquid by means of hollow piston shafts. Considered publications: German Patent Specifications No. 701 616, 819-442; U.S. Patent Nos. 2,028,414, 2,259,027, 2667046.