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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumpumpenanlage sowie ein Verfahren zur
Erzeugung eines Endvakuums, bei der mit einer Flüssigkeitsringpumpe ein Zwischenvakuum
und mit einer Seitenkanalpumpe das Endvakuum erzeugt wird.
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Bei
einer Vakuumpumpenanlage werden oftmals in Abhängigkeit der Anforderungen
unterschiedliche Pumpentypen miteinander kombiniert. Diese Anforderungen
beziehen sich beispielsweise auf das erreichbare Endvakuum, auf
die maximale Saugleistung, auf eine robuste Ausgestaltung und zuverlässige Betriebsführung bei
möglichst
geringen Betriebskosten usw. Bei der industriellen Anwendung zur
Erzeugung eines Vakuums im Bereich von wenigen Millibar wird aus
der Vielzahl der möglichen Pumpentypen
in großem
Maße eine
sogenannte Wälzkolben-
oder Rootspumpe eingesetzt. Der Wälzkolbenpumpe ist druckseitig
eine geeignete Vorpumpe, beispielsweise eine Flüssigkeitsringpumpe, vorgeschaltet.
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Die
Wälzkolbenpumpe
ist eine Drehkolbenpumpe, bei der sich in einem Pumpengehäuse zwei symmetrisch
nach Art einer liegenden Acht gestaltete Rotoren gegenseitig abwälzen. Die
beiden Rotoren sind zueinander synchronisiert und berühren sich
gegenseitig nicht. Eine Wälzkolbenpumpe
eignet sich für
das Fördern
hoher Volumenströme.
Der Ansaugdruck, also letztendlich das erreichbare Vakuum, der Wälzkolbenpumpe
hängt jedoch
stark von dem auf der Druckseite herrschenden Druck ab. Um ein gewünschtes
konstantes Endvakuum zu erzielen, muss die Vorpumpe daher in der
Regel geregelt werden, um ein möglichst
konstantes Zwischenvakuum auf der Druckseite der Wälzkolbenpumpe
zu erzeugen. Zudem besteht bei einer Verdrängerpumpe, zu der die Wälzkolbenpumpe
zählt,
generell das Problem, dass mit zunehmender Saugleistung, also mit
zunehmendem Massen strom des pro Zeiteinheit geförderten Gases, die Temperaturbelastung
deutlich zunimmt. Daher wird eine Verdrängerpumpe, die für hohe Saugleistungen
ausgelegt ist, üblicherweise gekühlt, um
die thermomechanischen Belastungen der Pumpe in einem tolerierbaren
Bereich zu halten.
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Herkömmliche
Pumpenanlagen mit einer Wälzkolbenpumpe
sind daher aufwendig und in ihrer Anschaffung kostenintensiv.
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Bei
der Flüssigkeitsringpumpe
besteht aufgrund des zu Grunde liegenden Pumpenprinzips mit dem
umlaufenden Flüssigkeitsring
kaum ein Temperaturproblem. Denn die Flüssigkeit des Flüssigkeitsrings
wird üblicherweise
zur Kühlung
herangezogen und hierzu in einem Kühlkreislauf geführt. Eine
Flüssigkeitsringpumpe
und ihr Funktionsprinzip sind beispielsweise zu entnehmen aus dem
Siemens-Prospekt „ELMO-L2BL1 – luftgekühlt, ölfrei: Die
neue Generation von Vakuumpumpen",
12/98, Siemens AG 1999, Deutschland, Bestell-Nr. E200001-P782-A208.
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Aus
der
DE 24 30 314 A1 ist
die Kombination einer Seitenkanalpumpe mit einer Flüssigkeitsringpumpe
als Vorpumpe beschrieben. Dabei ist die Seitenkanalpumpe zwischen
dem zu evakuierenden Volumen und der Flüssigkeitsringpumpe angeordnet. Bei
einer derartigen Anlage tritt im Betrieb jedoch das Problem auf,
dass die von der Seitenkanalpumpe erwärmte Luft über die Flüssigkeitsringpumpe geführt wird.
Dies führt
zu einer erhöhten
Verdampfung der Betriebsflüssigkeit
der Flüssigkeitsringpumpe,
so dass die Flüssigkeitsringpumpe
einen sehr hohen Kühlwasserdurchsatz
benötigt,
was im Hinblick auf einen wirtschaftlichen Betrieb nachteilig ist.
Zudem können
bei Verwendung von Leitungswasser als Kühlwasser aufgrund des erhöhten Durchsatzes
Verkalkungsprobleme auftreten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zuverlässigen sowie
wirtschaftlichen Betrieb einer einfach ausgestalteten und kompakten
Vakuumpumpenanlage zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch eine Vakuumpumpenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die
an sich bekannte und auch als Gasringpumpe bezeichnete Seitenkanalpumpe
wird üblicherweise
in Bereichen eingesetzt, in denen eine hohe Saugleistung bei einem
vergleichsweise geringen Unterdruck (Vakuum) gefordert ist. Typischerweise wird
mit einer Seitenkanalpumpe gegen die Atmosphäre verdichtet und hierbei ein
Unterdruck von maximal bis zu 500 mbar erzeugt. Die Seitenkanalpumpe
wird beispielsweise in industriellen Absauganlagen eingesetzt.
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Sie
hat den wesentlichen Vorteil, dass ihr Ansaugdruck in einem weiten
Bereich unabhängig
von dem auf der Druckseite herrschenden Druck ist. Überraschenderweise
ist der Ansaugdruck auch in sehr niedrigen Druckbereichen bis hinein
in das Feinvakuum über
einen – im
Vergleich zur Wälzkolbenpumpe – weiten
Druckbereich weitgehend gleichbleibend und unabhängig vom herrschenden Druck
auf der Druckseite. Als Feinvakuum ist der Vakuumbereich zwischen
0,01 und 1 mbar bezeichnet, an den sich das Grobvakuum anschließt, das
den Vakuumbereich zwischen 1 mbar und 1000 mbar abdeckt.
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Aufgrund
des weitgehend gleichbleibenden Ansaugdruck über einen weiten Druckbereich
entfällt die
Notwendigkeit der Steuerung der Flüssigkeitsringpumpe, die das
an der Druckseite der Seitenkanalpumpe anliegende Zwischenvakuum
erzeugt.
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Ein
weiterer wichtiger Vorteil ist die geringe thermische Belastung
der Seitenkanalpumpe, da sie maximal im Bereich des durch die Vorpumpe
erzeugten niedrigen Grobvakuums arbeitet. Unter niedriges Grobvakuum
wird hierbei in etwa der Bereich zwischen 50 und 200 mbar verstanden.
Wegen der geringen thermischen Belastung sind keine speziellen kostenaufwendigen
Vorkehrungen für
eine Kühlung notwendig,
die über
die üblicherweise
bei Seitenkanalpumpen eingesetzte Luftkühlung hinausgehen. Wegen der
geringen thermischen Belastung sind zudem hohe Volumenströme mit der
Seitenkanalpumpe erreichbar. Denn die Saugleistung, also der geförderte Massenstrom
pro Zeiteinheit, bleibt naturgemäß bei den
niedrigen Drücken
relativ klein und somit die Temperaturbelastung gering.
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Diese
Vorteile der Seitenkanalpumpe ermöglichen daher einen besonders
einfachen und damit kostengünstigen
Aufbau der Pumpenanlage.
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Weiterhin
ist durch das Merkmal, dass die Flüssigkeitsringpumpe mit einer
Kühleinheit
in einem kompakten Pumpaggregat integriert ist, eine autarke Kühlung der
Flüssigkeitsringpumpe
ohne externe Kühlflüssigkeitszufuhr
möglich.
Dies gewährleistet
einen sicheren dauerhaften sowie wirtschaftlichen Betrieb. Zudem
ist ein derartiges Pumpaggregat besonders kompakt und zeichnet sich
durch seine universelle Einsetzbarkeit aus. Insbesondere die Kühlung ohne
externe Kühlflüssigkeitszufuhr
ermöglicht
einen standortunabhängigen
und flexiblen Einsatz. Das Pumpaggregat ist daher besonders vorteilhaft
für eine
einfache und kostengünstige
Ausgestaltung der gesamten Pumpenanlage. Ein derartiges Pumpaggregat
ist in dem bereits erwähnten
Siemens-Prospekt „ELMO
L2BL1 luftgekühlt, ölfrei: Die
neue Generation von Vakuumpumpen" beschrieben.
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Zur
Erzielung einer hohen Effizienz wird die Seitenkanalpumpe mit Drehzahlen
bis etwa 14.000 U/min betrieben. Üblicherweise ist die Seitenkanalpumpe
lediglich für
Drehzahlen bis etwa 3.000 U/min ausgelegt. Bei den üblichen
Anwendungsgebieten der Seitenkanalpumpe im Bereich des Atmosphärendrucks
würden
höhere
Drehzahlen nämlich
zu einer unzulässigen
Temperaturbelastung führen.
Da die Seitenkanalpumpe im vorliegenden Anwendungsfall im Bereich
des niedrigen Grobvakuums eingesetzt wird, ist die Saugleistung,
also der Massenstrom des pro Zeiteinheit geförderten Gases, und damit die Temperaturbelastung
gering. Mit der hohen Drehzahl ist ein hohes Saugvermögen, also
ein hoher Volumenstrom, erzielt.
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Vorzugsweise
wird mit der Flüssigkeitsringpumpe
ein Grobvakuum im Bereich von 50 bis 200 mbar und mit der Seitenkanalpumpe
ein Feinvakuum von bis zu 1 mbar erzeugt. Die Flüssigkeitsringpumpe ist besonders
robust und wenig störanfällig sowie für eine hohe
Saugleistung ausgebildet. Sie eignet sich insbesondere zur Erzeugung
des niedrigen Grobvakuums im Bereich von bis zu etwa 50 mbar.
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Um
einen möglichst
geringen Installationsaufwand und damit geringe Kosten zu erzielen,
sind die Seitenkanalpumpe und die Flüssigkeitsringpumpe bevorzugt
in Serie zueinander angeordnet.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
weiterhin gelöst
durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Endvakuums nach Anspruch
4.
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Die
im Hinblick auf die Pumpenanlage angeführten Vorteile und bevorzugte
Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf
das Verfahren anzuwenden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
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1 1 eine
Vakuumpumpenanlage mit einer Gasringpumpe und einem zu dieser in
Serie angeordneten Pumpaggregat mit einer Flüssigkeitsringpumpe als Vorpumpe,
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2 eine
Vakuumpumpenanlage, bei der im Unterschied zu der in 1 dargestellten
das Pumpaggregat durch eine Vorpumpe mit separatem Kühlaggregat
ersetzt ist, und
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3 ein
Querschnitt durch eine Gasringpumpe.
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Eine
Vakuumpumpenanlage 2 gemäß den 1 und 2 umfasst
zwei in Serie zueinander angeordnete Pumpen, und zwar eine Gasringpumpe 4 und
eine als Flüssigkeitsringpumpe 6 ausgebil dete Vorpumpe.
Die beiden über
eine Vakuumleitung 8 in Serie zueinander angeordnete Pumpen 4,6 dienen zur
Erzeugung eines Endvakuums in einem Vakuumbehälter 10. Dieser ist über die
Vakuumleitung 8 an einer Saugseite 4b der Gasringpumpe
angeschlossen.
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Die
als Vorpumpe ausgebildete Flüssigkeitsringpumpe 6 dient
zur Erzeugung eines Zwischenvakuums auf der Druckseite 4a der
Gasringpumpe 4. Und zwar erzeugt die Flüssigkeitsringpumpe 6 ein Zwischenvakuum
vorzugsweise im Bereich zwischen 50 mbar und 200 mbar. Das Zwischenvakuum
liegt also im Bereich eines niedrigen Grobvakuums. Mittels der Gasringpumpe 4 wird
der auf das Zwischenvakuum vorevakuierte Vakuumbehälter 10 bis
zum gewünschten
Endvakuum evakuiert. Dieses liegt vorzugsweise im Bereich zwischen
1mbar und 30mbar und erreicht damit das Feinvakuum, das bei 1mbar beginnt.
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Der
entscheidende Vorteil der Vakuumpumpenanlage 2 mit der
Anordnung der Gasringpumpe 4 als Endpumpe besteht darin,
dass diese auf ihrer Saugseite 4b einen weitgehend konstanten
Ansaugdruck, also ein weitgehend konstantes Endvakuum bereitstellt.
Dieser Ansaugdruck ist dabei überraschenderweise über einen
weiten Bereich des auf der Druckseite anliegenden Zwischenvakuums
unabhängig
von diesem Zwischenvakuum. Das Zwischenvakuum kann beispielsweise
zwischen 20 und 120mbar variieren, ohne dass dies zu einer großen Schwankungsbreite
des Ansaugdrucks führt.
Bei der üblicherweise
als Endpumpe eingesetzten Wälzkolbenpumpe
beträgt
dieser Druckbereich typischerweise lediglich etwa 20 bis 50mbar.
Bei darüber
hinaus gehenden Schwankungen des Zwischenvakuums führt dies
bei einer Wälzkolbenpumpe
zu unterschiedlichen Ansaugdrücken
und damit zu unterschiedlichen Endvakua. Bei herkömmlichen
Vakuumpumpenanlagen mit einer Wälzkolbenpumpe
als Endpumpe muss daher die Vorpumpe geregelt werden, um ein möglichst
konstantes Zwischenvakuum zu erzeugen. Diese Notwendigkeit der Regelung
der Vorpumpe entfällt
bei der Verwendung der Gasringpumpe 4 als Endpumpe aufgrund
der überraschend guten
Konstanz des Ansaugdrucks über
vergleichsweise große
Bereiche des Zwischenvakuums hinweg.
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Der
Einsatz der Gasringpumpe 4 als Endpumpe, welche im Bereich
des niedrigen Grobvakuums arbeitet, hat weiterhin den wesentlichen
Vorteil der vergleichsweise geringen Temperaturbelastung. Denn aufgrund
des niedrigen Drucks, in dem die Gasringpumpe 4 betrieben
wird, ist die Saugleistung als wesentliches Maß für die Temperaturbeanspruchung
gering. Um eine möglichst
hohe Saugleistung unter den gegebenen Randbedingungen zu erzielen, ist
dabei vorzugsweise vorgesehen, die Gasringpumpe für hohe Drehzahlen
bis zu 14.000 Umdrehungen pro Minute auszulegen. Dies ist in etwa
eine Verfünffachung
der im üblichen
Anwendungsbereich der Gasringpumpe verwendeten Drehzahl. Trotz dieser enormen
Drehzahl bleibt die Temperaturbelastung mäßig, so dass neben der üblicherweise
bei einer Gasringpumpe 4 eingesetzten Luftkühlung keine spezielle
weitere Kühleinrichtung
notwendig ist.
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Zur
Einstellung des gewünschten
Endvakuums und zur Veränderung
des Endvakuums besteht die Möglichkeit,
die Drehzahl der Gasringpumpe 4 zu verändern und zu steuern. Durch
eine einfache Drehzahlsteuerung oder Drehzahlregelung der Gasringpumpe 4 sind
demnach unterschiedliche Endvakua einstellbar. Zur Leistungsverbesserung
ist weiterhin vorzugsweise vorgesehen, mehrere Gasringpumpen 4 oder
zumindest mehrere Stufen der Gasringpumpe 4 hintereinander
zu schalten.
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Die
Flüssigkeitsringpumpe 6 ist
gemäß 1 innerhalb
eines Pumpaggregats 12 angeordnet. Das Pumpaggregat 12 ist
dabei eine kompakte Baueinheit, die neben der Flüssigkeitsringpumpe 6 auch
eine Kühleinheit 13 zur
Kühlung
des Abgases sowie der Betriebsflüssigkeit
der Flüssigkeitsringpumpe 6 aufweist.
Die Verwendung der Gasringpumpe 4 in Verbindung mit dem
Pumpaggregat 12 führt zu
einer besonders einfachen Ausgestaltung der Vakuumpumpenanlage 2.
Da beide Pumpen ohne spezielle Anpassungen und insbesondere ohne
aufwendige Regeltechnik miteinander kombinierbar sind, ergibt sich
eine besonders kostengünstige
Vakuumpumpenanlage 2.
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Anstelle
des Pumpenaggregats 12 ist gemäß 2 alternativ
vorgesehen, die Flüssigkeitsringpumpe 6 mit
einer separaten Kühlvorrichtung 14 zu verbinden,
die zur Kühlung
der Betriebsflüssigkeit
sowie der Abluft dient. Die Kühlvorrichtung 14 weist
dabei das eigentliche Kühlaggregat 16 sowie
einen Vorratsbehälter 18 für das Kühlmittel,
insbesondere Wasser, auf. Durch die Anordnung des Vorratsbehälters 18 ist
die Kühlvorrichtung
autark und benötigt keinen
Kühlmittelanschluss.
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Anstelle
der Flüssigkeitsringpumpe 6 kann auch
eine andere geeignete Pumpenart, beispielsweise eine Kolbenpumpe,
eine Drehschieberpumpe usw. zum Einsatz kommen.
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Der
prinzipielle Aufbau und die Arbeitsweise der Gasringpumpe 4 wird
anhand 3 erläutert.
Die Gasringpumpe 4 weist einen ringförmig umlaufenden und doppeltflutig
ausgebildete Seitenkanal 20 auf, der über seine gesamte ringförmige Ausbildung
eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche aufweist. Lediglich im
Bereich eines Druckauslassstutzens 21 ist ein Unterbrecher 22 in
Form einer Querschnittsverengung vorgesehen. Ein um eine Achse 23 rotierbares
Laufrad 24 reicht mit seinen Laufradschaufeln 26 in
den Seitenkanal 20 hinein. Die Achse 23 ist über Lagerelemente 27 gelagert.
Das Laufrad 24 wird elektromagnetisch angetrieben. Hierzu
ist ein mit einer Wicklung 28 versehener Stator 30 vorgesehen.
Dem Stator 30 ist ein am Laufrad 24 befestigter Magnet 32 zugeordnet.
Die angeführten
Elemente sowie ein endseitig an der Achse 23 angeordnetes Lüfterrad 34 sind
in einem Gehäuse 36 untergebracht.
Beim Betrieb wird über
die rotierende Achse 23 das Lüfterrad 34 angetrieben,
wodurch Luft zur Kühlung
durch Lufteinlassschlitze 38 angesaugt wird.
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Beim
Betrieb der Gasringpumpe 4 rotiert das Laufrad 24 im
Seitenkanal 20. Das anzusaugende Gas wird durch einen in
der Schnittansicht nicht zu erkennenden Ansaugstutzen in den Seitenkanal 20 angesaugt,
und dort aufgrund der Laufraddrehung in eine schraubenförmige Bahn
durch mehrfache Beschleunigung auf hohen Druck gebracht. Anschließend wird
das Gas durch den Unterbrecher 22 in den Druckauslassstutzen 21 ausgeschoben.
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Die
für die
Verwendung in der Vakuumpumpenanlage 2 vorgesehene Gasringpumpe 4 ist
zur Umgebung, insbesondere hermetisch abgedichtet, um Leckageströme nach
Möglichkeit
zu unterbin den. Damit wird sichergestellt, dass die Gasringpumpe 4 bis
zu den angestrebten niedrigen Ansaugdrücken von bis zu 1mbar eine
Saugleistung bereitstellt. Diese geeignete hermetische Abdichtung
wird beispielsweise durch entsprechende Vorkehrungen zur Lagerung
der Achse 22 und durch eine Kapselung des gesamten Gehäuses 36 erreicht.
Insbesondere sind bei den Lagerelementen 23 Lagerentfettungen
ausgeschlossen. Diese Maßnahmen,
also insbesondere das Ausschließen
von Lagerentfettungen sowie die Vermeidung von Leckageströmen, dienen
zur Erreichung eines möglichst
niedrigen Endvakuums.