DE10149506A1 - Schwingkolbenantrieb für eine Vakuumpumpe sowie Betriebsverfahren für diesen Antrieb - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schwingkolbenantrieb für eine Vakuumpumpe (1) mit einem Kolben (2), der zwei Kolbenabschnitte (3, 4) und einen mittleren, mit einem Antriebsmagneten (11) ausgerüsteten Bereich aufweist, mit den Kolbenabschnitten (3, 4) zugeordneten Zylinderabschnitten (8, 9), mit einer zwischen den Zylinderabschnitten (8, 9) angeordneten, in Höhe eines Mitteljochs (19) befindlichen, ringförmigen Aussparung (12), die den Bewegungsraum des Antriebsmagneten (11) bildet, und mit einem elektromagnetischen, den Kolben (2) umgebenden Antrieb mit Jochbauteilen (17, 18, 19) und seitlich vom Mitteljoch befindlichen Spulen (15, 16), um Pumpleistungsbeeinträchtigungen zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass ein Spaltrohr (34) die Aussparung (12) peripher begrenzt oder dass die Bestromung der Spulen so gesteuert wird, dass jeweils nur eine Spule Strom führt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingkolbenantrieb für eine Vakuumpumpe mit einem Kolben, der zwei Kolbenabschnitte und einen mittleren, mit einem Antriebsmagneten ausgerüsteten Bereich aufweist, mit den Kolbenabschnitten zugeordneten Zylinderabschnitten, mit einer zwischen den Zylinderabschnitten angeordneten, in Höhe eines Mitteljochs befindlichen, ringförmigen Aussparung, die den Bewegungsraum des Antriebsmagneten bildet, und mit einem elektromagnetischen, den Kolben umgebenden Antrieb mit Jochbauteilen und seitlich vom Mitteljoch befindlichen Spulen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf Betriebsverfahren für den Antrieb.
• Allgemein ist es das Ziel der hier betroffenen Entwickler und Konstrukteure, die Pumpleistung oder -wirkung (Saugvermögen, Kompression) einer Vakuumpumpe zu verbessern, und zwar möglichst bei gleichbleibendem, vorzugsweise sogar kleinerem Bauvolumen und/oder reduziertem Energiebedarf. Dieses Ziel ist gleichbedeutend damit, dass im Zuge der Weiterentwicklung bzw. Konstruktion einer Pumpe der betroffenen Art notwendig werdende Maßnahmen nicht mit Beeinträchtigungen der Pumpleistung verbunden sein dürfen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Schwingkolbenantrieb für eine Vakuumpumpe vorzuschlagen, bei der Pumpleistungsbeeinträchtigungen reduziert sind.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
• Ein Schwingkolbenantrieb der eingangs erwähnten Art ist aus der WO 00/63 556, Fig. 8, bekannt. Er weist eine Reihe von Bauteilen (Spulen, Polbauteile, Zylinder usw.) auf, die an den Bewegungsraum des Antriebsmagneten angrenzen und Einfluss auf die Pumpleistung haben. Es besteht die Gefahr, dass der Bewegungsraum über Spalte zwischen den Bauteilen oder Stromdurchführungen mit der äußeren Umgebung in Verbindung steht. Über solche Spalte dringt Luft in den Bewegungsraum ein und erhöht den sich während des Betriebs der Pumpe im Bewegungsraum ausbildenden Unterdruck. Maßnahmen zur Abdichtung dieser Spalte (z. B. Kleber- oder Dichtmittel- Schichten) können den Wirkungsgrad des elektromagnetischen Antriebs beeinträchtigen, da sie den Abstand der einzelnen Bauteile voneinander vergrößern.
• Bei einer ersten Lösung der gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, dass ein Spaltrohr die äußere Aussparung peripher begrenzt. Ein den Bewegungsraum des Antriebsmagneten peripher begrenzender Rohrabschnitt reduziert die Anzahl der in den Bewegungsraum mündenden Spalte, so dass die Gefahr unerwünschter Druckerhöhungen in diesem Raum weitestgehend beseitigt ist. Die Wandstärke des Rohres kann sehr klein sein, z. B. unter 1 mm, so dass Beeinträchtigungen des Wirkungsgrades des elektromagnetischen Antriebs vernachlässigbar sind.
• Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Spaltrohr aus ferromagnetischem Werkstoff besteht und seine Wandstärke zumindest im Bereich von Abschnitten außerhalb des Mitteljochs so gewählt ist, dass der Antriebsmagnet den jeweiligen Abschnitt bis zur Sättigung magnetisiert, wenn er sich in den Bereichen außerhalb des Mitteljochs befindet. Diese Ausbildung des Spaltrohres hat die Wirkung, dass es zu einem Teil des Antriebs wird. Der jeweils gesättigte Abschnitt ist für das Magnetfeld der zugehörigen Spule praktisch nicht mehr vorhanden. Dies wirkt wie eine Luftspalterweiterung für diese Spule und führt zu einer Verminderung der Induktivität eben dieser Spule. Der Strom in einer Spule wird dann aufgebaut, wenn sich der Antriebsmagnet im Bereich dieser Spule befindet, d. h. der zugehörige Spaltrohrabschnitt gesättigt ist. Geringere Induktivität bedeutet damit bei gegebener Spannung einen schnelleren Stromaufbau. Mit dem Magnetfeld dieses Stromes wird jetzt der Antriebsmagnet von dieser Spule abgestoßen hin zur axial gegenüber liegenden Spule. Die Sättigungswirkung des Antriebsmagneten auf das Spaltrohr verschwindet. Da der Strom aber jetzt den benötigten Wert hat, ist die Zunahme der Induktivität nicht störend.
• Voraussetzung für dieses Wirkprinzip ist, dass das Magnetfeld des Antriebsmagneten stärker ist als das der Spule. Wenn dem nicht so wäre, dann würde das Spulenfeld das Feld des Antriebsmagneten im Spaltrohr praktisch "überschreiben" (Felder sind entgegengesetzt gerichtet) und die Sättigung sofort aufheben. Die notwendigen Kräfte bei diesem Antrieb sind aber nur mit ausreichend starken, z. B. Selten-Erd-Magneten, realisierbar. Bei diesen Magneten ist diese Voraussetzung immer gegeben.
• Die vorstehenden Ausführungen lassen erkennen, dass es zweckmäßig ist, die Bestromung der Spulen derart zu steuern, dass jeweils nur eine Spule Strom führt. Dadurch kann erreicht werden, dass der Strom in einer Spule genau dann aufgebaut wird, wenn sich der Antriebsmagnet im Bereich dieser Spule befindet.
• Eine Ansteuerung des Antriebs mittels Halbleiterschaltern ermöglicht die Vermeidung weiterer Verluste. Zur Erläuterung dieser Verbesserung wird wieder ausgegangen vom Linearantrieb nach Fig. 8 der WO 00/63 556. Bei diesem Linearantrieb erzeugt das Magnetfeld einer der beiden Spulen nur dann eine Kraft auf den Kolben, wenn sich der zugehörige Kolbenabschnitt im Bereich der jeweiligen Spule befindet. Die andere - bestromte - Spule ist in dieser Zeit unwirksam. Bei der üblichen gleichzeitigen Bestromung beider Spulen entstehen damit mehr Verluste in den Spulen als zur Krafterzeugung notwendig. Das gemeinsame Bestromen beider Spulen bedeutet darüber hinaus, dass die Ansteuerelektronik in der Lage sein muss, beide Polaritäten des Stromes ein- bzw. abzuschalten. Dieses erhöht nicht nur den Leistungsverlust sondern auch den Aufwand für die Ansteuerelektronik.
• Bei einer zweiten Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird vorgeschlagen, dass jeder der Spulen nur eine Strompolarität zugeordnet wird, d. h., einer Spule wird die positive, der anderen die negative Strompolarität zugeordnet. Z. B. können die beiden Polaritäten des 50 Hz-Netz-Wechselstromes auf die beiden Spulen "verteilt" werden. Dieses kann mit einem einfachen Thyristorsteller geschehen. Die Stromamplitude jeder Halbwelle lässt sich mittels einer einfachen kostengünstigen Phasenanschnittssteuerung einstellen, wie sie z. B. bei Bohrmaschinen bekannt ist.
• Das Eingangssignal für die Phasenanschnittssteuerung kann z. B.
• - für eine Pumpenapplikation (Druck, Netzspannung, Anzahl der Stufen) fest vorgegeben,
• - von der Netzspannung abhängig gemacht,
• - von einem Sensor zur Bestimmung der Kolbenlage vorgegeben oder
• - von einem Sensor zur Beobachtung der Ventilbewegung vorgegeben
• werden. Die Hubfrequenz des Kolbens ergibt sich in allen Fällen aus der Frequenz des zugeführten Wechselstromes.
• Die Vorteile dieser Maßnahmen bestehen zum einen darin, dass Verluste in den Spulen reduziert sind, da jeweils nur noch eine Spule bestromt wird. Auch die Ausbildung der Ansteuerelektronik ist einfacher, da ein gemeinsames Bestromen beider Spulen nicht mehr erfolgt.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
• Es zeigen
• Fig. 1 einen Schnitt durch eine Kolbenvakuumpumpe mit einem Antrieb nach der Erfindung,
• Fig. 2 einen Teilschnitt in Höhe des Spaltrohres und
• Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Pumpe nach der Erfindung mit Mitteln zur Stromversorgung der Antriebsspulen.
• Die Figuren zeigen jeweils eine Kolbenvakuumpumpe 1 mit einem Kolben 2. Dieser weist Kolbenabschnitte 3 und 4 auf, deren freien Stirnseiten jeweils ein zylindrischer Schöpfraum 5 bzw. 6 zugeordnet ist. Der Kolben 2 und die Schöpfräume 5, 6 befinden sich in einem Gehäuse 7 mit Zylinderabschnitten 8, 9 für die Kolbenabschnitte 3, 4. Die Werkstoffe der Zylindergleitflächen und der zugehörigen Kolbenoberflächen sind in an sich bekannter Weise so gewählt, dass die Pumpe trocken, d. h. ohne Schmiermittel betrieben werden kann.
• Dem Kolben 2 ist ein Linearantrieb zugeordnet. Er umfasst kolbenseitig einen Permanentmagnetring 11, der den Kolben 2 in seinem mittleren Bereich umgibt. Der Permanentmagnetring 11 bewegt sich in einem dem Kolben 2 umgebenden Ringraum (Aussparung 12). Statorseitig sind dem kolbenseitigen Permanentmagneten 12 weitere Permanentmagnetringe 13, 14 zugeordnet, die jeweils die axiale Begrenzung der ringförmigen Aussparung 12 bilden. In Höhe dieser Permanentmagnetringe enden auch die Zylinderabschnitte 8, 9.
• Statorseitige Bestandteile des Linearantriebs sind weiterhin die Spulen 15 und 16. Sie werden teilweise von Jochbauteilen 17, 18 umfasst und umgeben gemeinsam mit diesen Jochbauteilen die Zylinderabschnitte 8 bzw. 9. Zwischen den Spulen 15, 16 und den Jochbauteilen 17, 18 befindet sich ein ringförmiges Mitteljoch 19, dessen Innenfläche dem Ringraum 12 zugewandt ist. Die Spulen 15, 16 werden so bestromt, dass die von ihnen erzeugten und von den Jochbauteilen 17 bis 19 geführten Magnetfelder mit den Magnetfeldern der Permanentmagnetringe 11, 13 und 14 in der gewünschten Weise in Wechselwirkung treten. Der Kolben 2 soll um seine Mittellage schwingen, so dass die Kolbenstirnseiten während dieser Bewegung ihre Pumpfunktion erfüllen können.
• Zur Erfüllung der gewünschten Pumpwirkung sind die Kompressionsräume 5, 6 jeweils mit einem Einlassventil und einem Auslassventil ausgerüstet (nur in Fig. 1 dargestellt). Zu jedem der Einlassventile gehören eine Einlassöffnung 21 bzw. 22, die sich jeweils zwischen einer äußeren Einlasskammer 23 bzw. 24 und dem jeweiligen Schöpfraum 5 bzw. 6 befindet. Die Einlassöffnungen 21, 22 sind als schlitzförmige, sich radial erstreckende Durchbrechungen in der jeweiligen Zylinderwand 8 bzw. 9 ausgebildet. Die Kolbenabschnitte 3 und 4 geben die jeweilige Einlassöffnung frei, wenn sie eine ihrer beiden Totpunktlagen annehmen (jeweils in den Zylinderabschnitt zurückgezogene Stellung). Die Auslassventile 26, 27 sind jeweils stirnseitig angeordnet. Ihre Verschlusselemente 28, 29 trennen den jeweiligen Kompressionsraum 5 bzw. 6 von einem Auslassraum 31, 32 so lange, bis sie vom jeweiligen Kolbenabschnitt 3 bzw. 4 - bei hohen Druckdifferenzen auch vom erzeugten Druck - geöffnet werden. Die Verschlusselemente 28, 29 sind als sich über den gesamten Querschnitt der Zylinderabschnitte 3, 4 erstreckende, flexible Teller ausgebildet, die zentral am Gehäuse 7 befestigt sind und peripher durch den erzeugten Druck oder durch die Stirnseiten des Kolbens 2 betätigt werden. Die Kolbenstirnseiten sind dazu konkav gestaltet. Die Stirnseiten der Bauteile, die die Zylinderabschnitte 8, 9 bilden, haben die Funktion der Ventilsitze.
• Insgesamt sind zwei Kompressionsstufen vorhanden. Sie können hintereinander oder parallel betrieben werden. Einzelheiten dazu sind nicht dargestellt.
• In allen Figuren ist das Spaltrohr mit 34 bezeichnet. Es umgibt den Ringraum bzw. die Aussparung 12 und erstreckt sich bis in den Bereich der Statorpermanentmagnetringe 13, 14.
• Fig. 2 zeigt, dass das Spaltrohr 34 zwei seitliche Abschnitte 35, 36 mit relativ kleiner Wandstärke und einen mittleren Abschnitt mit größerer Wandstärke aufweist. Die Wandstärke der seitlichen Abschnitte 35, 36 liegt unter 1 mm, vorzugsweise 0,7 mm. Bei diesen Wandstärken tritt die gewünschte Sättigung durch den Antriebsmagneten 11 ein, wenn dieser sich in der Nähe der Abschnitte 35, 36 befindet. Die größere Wandstärke im mittleren Bereich ist nur dann erforderlich, wenn das Spaltrohr eine ausreichende mechanische Festigkeit haben muss.
• Fig. 3 zeigt die Vakuumpumpe 1 mit ihrem Linearantrieb nur stark schematisch. Zusätzlich dargestellt ist eine Ausführung für die erfindungsgemäße Stromversorgung der Spulen 15, 16. Über den Anschluss 41 wird Wechselstrom, vorzugsweise der Netzstrom mit 50 Hz, zwei Thyristorstellern 42, 43 zugeführt, von denen jeder mit einer Spule 15 bzw. 16 verbunden ist. Der Steller 42 lässt nur die positive, der Steller 43 nur die negative Halbwelle des Wechselstromes durch. Die Bestromung der Spulen erfolgt dadurch nicht mehr gleichzeitig, sondern abwechselnd mit jeweils nur einer der beiden Strompolaritäten. Die jeweils im Bereich der Stromzuführung und zwischen den Stellern 42, 43 und den Spulen 15, 16 dargestellten Strom/Zeit-Diagramme 44, 45, 46 lassen die erfindungsgemäße Stromversorgung der Spulen erkennen.
• Die Spulen 15, 16 sind zweckmäßig derart in den jeweiligen Versorgungskreis eingeschaltet, dass sie abstoßende Kräfte auf den Antriebsmagneten 11 ausüben.
• Der Kolben schwingt dadurch mit der Frequenz des zugeführten Wechselstromes um seine Mittellage.
• Die Permanentmagneten 13, 14 sind zweckmäßig derart magnetisiert, dass sie auf den Antriebsmagneten eine abstoßende Wirkung ausüben. Diese Lösung hat den Vorteil, dass mechanische Federn, die den Kolben in seine Mittellage zurück bewegen, entfallen können.

Claims (14)

1. Schwingkolbenantrieb für eine Vakuumpumpe (1)
mit einem Kolben (2), der zwei Kolbenabschnitte (3, 4) und einen mittleren, mit einem Antriebsmagneten (11) ausgerüsteten Bereich aufweist,
mit den Kolbenabschnitten (3, 4) zugeordneten Zylinderabschnitten (8, 9),
mit einer zwischen den Zylinderabschnitten (8, 9) angeordneten, in Höhe eines Mitteljochs (19) befindlichen, ringförmigen Aussparung (12), die den Bewegungsraum des Antriebsmagneten (11) bildet, und
mit einem elektromagnetischen, den Kolben (2) umgebenden Antrieb mit Jochbauteilen (17, 18, 19) und seitlich vom Mitteljoch befindlichen Spulen (15, 16), dadurch gekennzeichnet, dass ein Spaltrohr (34) die Aussparung (12) peripher begrenzt.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (34) aus ferromagnetischem Werkstoff besteht.

3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Statorpermanentmagnete (13, 14) die Aussparung (12) in axialer Richtung und außerhalb des Mitteljochbereichs begrenzen und dass sich das Spaltrohr (34) bis in den Bereich dieser Statorpermanentmagnete (13, 14) erstreckt.

4. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorpermanentmagneten (13, 14) derart magnetisiert sind, dass sie auf den Antriebsmagneten (11) eine abstoßende Kraft ausüben.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Spaltrohres (34)zumindest außerhalb des Mitteljochbereichs so gewählt ist, dass der Antriebsmagnet (11) den jeweiligen Spaltrohrabschnitt (35, 36) bis zur Sättigung magnetisiert, wenn er sich in den Bereichen außerhalb des Mitteljochs (19) befindet.

6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (34) im Bereich des Mitteljochs (19) eine größere Wandstärke hat.

7. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmagnet (11) ein Selten-Erd-Magnet ist.

8. Verfahren zum Betrieb eines Schwingkolbenantriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Spulen (15, 16) derart gesteuert wird, dass jeweils nur eine Spule Strom führt.

9. Verfahren zum Betrieb eines Schwingkolbenantriebs für eine Vakuumpumpe (1)
mit einem Kolben (2), der zwei Kolbenabschnitte (3, 4) und einen mittleren, mit einem Antriebsmagneten (11) ausgerüsteten Bereich aufweist,
mit den Kolbenabschnitten (3, 4) zugeordneten Zylinderabschnitten (8, 9),
mit einer zwischen den Zylinderabschnitten (8, 9) angeordneten, in Höhe eines Mitteljochs (19) befindlichen, ringförmigen Aussparung (12), die den Bewegungsraum des Antriebsmagneten (11) bildet, und
mit einem elektromagnetischen, den Kolben (2) umgebenden Antrieb mit Jochbauteilen (17, 18, 19) und seitlich vom Mitteljoch (19) befindlichen Spulen (15, 16),
dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung der beiden Spulen (15, 16) mit Wechselstrom erfolgt und dass jeder der Spulen nur eine Strompolarität zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (15, 16) derart bestromt werden, dass sie abstoßende Kräfte auf den Antriebsmagneten ausüben.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der gewünschten Stromamplituden Thyristorsteller (42, 43) verwendet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromamplitude mittels einer Phasenanschnittssteuerung eingestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal für die Phasenanschnittssteuerung
für eine Pumpenapplikation (Druck, Netzspannung, Anzahl der Stufen) fest vorgegeben,
von der Netzspannung abhängig gemacht,
von einem Sensor zur Bestimmung der Kolbenlage vorgegeben oder
von einem Sensor zur Beobachtung der Ventilbewegung vorgegeben wird.

14. Nach Anspruch 7 oder 8 betriebener Schwingkolbenantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der gewünschten Stromamplituden Thyristorsteller (42, 43) vorgesehen sind.