DE102004024554A1

DE102004024554A1 - Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe

Info

Publication number: DE102004024554A1
Application number: DE102004024554A
Authority: DE
Inventors: Armin Conrad; Wolfgang Losch
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-05-19
Also published as: EP1598558B1; DE102004024554B4; US20050260082A1; EP1598558A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe mit mindestens einer Pumpstufe, wobei jede Pumpstufe aus einer zylindrischen Kammer mit darin exzentrisch angeordneter mit Schiebern (7) versehener Welle (12) besteht, wobei alle Pumpstufen von einer einstückigen Welle angetrieben werden und mit einem Antriebssystem für die Welle. Diese Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem aus auf der Welle angebrachten Permanentmagneten (14) und ortsfesten elektrischen Spulen (10) besteht, die ein elektrisches Drehfeld erzeugen, und dass die zur Ansteuerung der Spulen notwendige Regelektronik (8) in einem abnehmbaren Gehäuseteil der Pumpe angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Drehschiebervakuumpumpen spielen eine wichtige Rolle in der Erzeugung von Vakuum. Sie dienen zur Erzeugung von Grob- und Feinvakuum mit Enddrücken bis ca. 6·10^–3 mbar und werden in Industrie, Forschung und Labor eingesetzt. Traditionell dienen diese Pumpen auch als Vorvakuumpumpe für nicht gegen Atmosphärendruck verdichtende Pumpen wie Wälzkolbenpumpen und Turbomolekularpumpen. Dabei sind sie je nach Anwendung ein- oder mehrstufig ausgebildet.

Drehschiebervakuumpumpen des hier vorliegenden Typs gehören zu der Klasse der ölüberlagerten Verdrängerpumpen. Das Öl in der Pumpe erfüllt mehrere Aufgaben, darunter fällt zum einen die Abdichtung der Gasaustritts- gegen die Gaseintrittsseite. Zum anderen dient das Öl zur Kühlung und Schmierung der mechanischen Komponenten der Pumpe.

Das Öl spielt allerdings auch eine negative Rolle bei der Auslegung des Antriebsmotors. Zu Beginn des Betriebes, wenn die Pumpe kalt ist, ist das Öl zäh und dickflüssig. Damit wird sehr viel Leistung auf Seite des Antriebsmotors benötigt, um den Rotor der Pumpe drehen zu lassen. Bei unzureichender Dimensionierung, d.h. zu geringem Drehmoment, des Antriebsmotors kann es sogar vorkommen, dass die Pumpe gar nicht erst anläuft. Abhilfe kann die Wahl eines Öles mit höherer Viskosität schaffen, allerdings besitzen solche Öle leichtflüchtige Bestandteile, so dass der Enddruck zunimmt (Wutz: „Handbuch Vakuumtechnik", Vieweg-Verlag, 8te Auflage, S. 202ff). Da dies nicht in allen Pumpenanwendungen hingenommen werden kann, werden die Antriebsmotore in ölgeschmierten Drehschiebervakuumpumpen sehr leistungsstark ausgelegt.

Gattungsgemäße Drehschiebervakuumpumpen nach dem Stand der Technik werden mit asynchronen Wechselstrom-Elektromotoren ausgerüstet. Deren typisches Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl ist in 3 gezeigt. Bei niedrigen Drehzahlen ist das Drehmoment gering, das deutlich höhere maximale Drehmoment wird erst bei mittleren Drehzahlen erreicht. Bei höheren Drehzahlen fällt das Drehmoment wieder ab. Dieser Sachverhalt bedingt, dass die Antriebsmotoren überdimensioniert werden müssen, damit die Drehschiebervakuumpumpen überhaupt anlaufen können. Diese Überdimensionierung verursacht eine unnötig hohe Leistungsaufnahme des Antriebes und erhöht dadurch sowohl die Herstellungskosten, als auch die Betriebskosten der Pumpe. Letztere spielen in zunehmenden Maße eine Rolle, da gerade Drehschiebervakuumpumpen für den Dauerbetrieb gedacht sind.

Negativ wirkt sich die Überdimensionierung des Antriebsmotors auch auf die Größe der gesamten Pumpe aus. Ein kompaktes Bauvolumen, wie es in heutigen Pumpständen und Anlagen anzustreben ist, lässt sich nicht auf Basis der Antriebsmotoren des Standes der Technik realisieren. Dies wird noch verschärft, da die nicht in Drehung des Rotors umgesetzte elektrische Energie in abzuführende Wärme umgewandelt wird. Diese muss innerhalb des Pumpstandes abgeführt werden, gegebenenfalls sogar mit aktiver Kühlung.

Wechselstromelektromotoren, wie sie meist insbesondere in kleinen und mittleren Drehschiebervakuumpumpen mit Saugvermögen bis 40 m³/h eingesetzt werden, sind oft Zweiphasenmotoren. Bei diesen Motoren werden Kondensatoren eingesetzt, um mehr als zwei Spulen pro Umfang einsetzen zu können. Daraus ergibt sich eine ungleichmäßige Drehmomentcharakteristik, d.h. ein ungleichmäßiges Drehmoment bezogen auf eine ganze Umdrehung der Welle. Hieraus resultiert eine unnötig hohe Vibrations- und Geräuschentwicklung, die in sehr vielen Anwendungsfällen schwer tolerierbar ist. Durch geeignete Installationsmaßnahmen muss dafür gesorgt werden, dass diese Schwingungen nicht auf z.B. empfindliche Laborapparaturen übertragen werden.

Das Öl innerhalb der Drehschieberpumpe dient zum Kühlen, zum Schmieren der beweglichen Teile und zur Abdichtung des Schöpfraums. Eine Verschmutzung der Pumpenumgebung durch Öl, das aus dem Gehäuse austritt, gilt es zu verhindern. Gerade das Abdichten der Durchführung der Rotorwelle durch das Gehäuse ist schwierig. Traditionell werden hier Radialwellendichtungen eingesetzt, die allerdings einen hohen Verschleiß aufweisen, d.h. zu hohen Wartungskosten führen. Um die Probleme dieser Dichtungen zu beseitigen werden im Stand der Technik Drehschiebervakuumpumpen mit Magnetkupplung und Spalttopf ausgerüstet, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten bei Senkung der Betriebskosten führt.

Im Stand der Technik besitzt das Antriebssystem einer Drehschiebervakuumpumpe mindestens zwei Wellen, nämlich Rotorwelle und Motorwelle. Beide müssen gelagert werden, außerdem werden Kupplungselemente zwischen den Wellen benötigt. Diese Maßnahmen erhöhen die Zahl der Bauteile, die Montagekosten und die Fehleranfälligkeit der Pumpe.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe zu bauen, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet.

Gelöst wird diese Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs. Die Ansprüche 2 bis 10 stellen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.

Erfindungsgemäß wird die ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor angetrieben. Dieser besteht aus Permanentmagneten, die auf der Welle des Pumpsystems angebracht sind, und ortsfesten Spulen, die von einer Elektronik angesteuert werden. Diese Motoren besitzen einen sehr gleichmäßigen Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehwinkel. Bereits bei sehr niedrigen Drehzahlen wird als Anlaufdrehmoment nahezu das volle Drehmoment aufgebracht. Hierdurch kann ein Motor eingesetzt werden, der gegenüber einem asynchronen Wechselstrommotor mit gleichem Anlaufdrehmoment eine deutlich geringere Leistungsaufnahme besitzt. Daher ist auch der komplette Motor baulich kleiner, die Pumpe kann also kompakter gestaltet werden. Das bezogen auf die Drehung gleichmäßigere Drehmoment sorgt für eine deutlich höhere Laufruhe, was sich sehr positiv auf Vibrations- und Geräuschentwicklung auswirkt.

Statt mehrere Wellen, wie im Stand der Technik, benötigt die erfindungsgemäße Drehschiebervakuumpumpe nur eine einzige Welle, wodurch Herstellkosten und Fehleranfälligkeit reduziert werden.

Die vorliegende Erfindung soll anhand der Figuren näher erläutert werden.
1: Erfindungsgemäße Drehschiebervakuumpumpe mit Permanentmagneten auf der Welle und ein magnetisches Drehfeld erzeugende Spulen.
2: Drehschiebervakuumpumpe mit Permanentmagneten auf der Welle und ein magnetisches Drehfeld erzeugende Spulen und Spalttopf.
3: Drehmoment in Abhängigkeit von Drehzahl für asynchronen Wechselstrommotor (durchgezogen) und für einen Gleichstrommotor (gestrichelt), qualitativ.
1 zeigt eine ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe 1 mit Gehäuse 2, Gaseinlass 3 und Gasauslass 4. Im Inneren des Gehäuses befindet sich das Pumpsystem 5 mit einer Welle 12, die in den Lagern 13 gelagert ist. Die Pumpwirkung ergibt sich aus der Rotation der Welle im Zusammenspiel mit den Drehschiebern 7. Eine hydraulische Ölpumpe 6 versorgt die Lagerstellen, die als Gleitlager ausgebildet sind, und das Hochvakuumsicherheitsventil mit Öl. Dieses Ventil schließt, wenn die Welle nicht mehr dreht und damit der von der Ölpumpe erzeugte Öldruck abfällt.
Auf der Welle 12 sitzen Permanentmagnete 14. Spulen 10 erzeugen eine magnetisches Drehfeld, dass durch elektronische Kommutation seine Lage ändert und damit die Welle in Rotation versetzt. Statt der zwei Wellen des Standes der Technik, nämlich Rotorwelle und Motorwelle, besitzt diese Pumpe nur noch eine Welle. Sensoren 16, vorzugsweise Hallsensoren, dienen zur Bestimmung der Winkellage der Welle. Die Sensorsignale werden von der Regelelektronik 8 eingelesen. Die Regelelektronik erzeugt die für die Spulen notwendigen Spannungen und Ströme sowie die Kommutierungssignale. Diese Regelelektronik sitzt vorzugsweise in einem abnehmbaren und insbesondere gegen den Ölraum dichten Teil des Gehäuses. Weiterhin ist sie so ausgebildet, dass sie zur Energieversorgung lediglich über ein Kabel mit einem vorhandenen Versorgungsnetz, wie beispielsweise dem 230 V Wechselstromnetz oder einem Industriespannungsnetz (bspw. 24 V oder 48 V), verbunden werden muss.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Regelelektronik so ausgestaltet, dass sie an ein- oder mehrphasigen Netzspannungen zwischen 60 V und 400 V oder Industriespannungsnetzen (24V oder 48V) betrieben werden kann. Ein Wahlschalter erlaubt die Einstellung auf die jeweilige Versorgungsspannung. Noch vorteilhafter ist es, wenn die Regelelektronik Mittel enthält, mit denen sie selbsttätig die angelegte Versorgungsspannung erkennen kann. Diese Maßnahmen führen dazu, dass die ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe an allen Weltspannungsnetzen betrieben werden kann, wodurch erheblich Kosten gespart werden können, da die Pumpen nicht mehr auf spezielle örtliche Gegebenheiten angepasst werden müssen. Stattdessen können für alle Pumpen die gleichen Standardbauteile verwendet werden.
Die Regelelektronik 8 enthält einen Leistungsteil 9 zur Ansteuerung der Spulen. Vorteilhaft ist es, wenn dieser Leistungsteil in thermischen Kontakt mit der Gehäusewandung gebracht wird. Über das Gehäuse wird dann in thermischer Konvektion die Wärme von der Pumpe abgeführt, wodurch zusätzliche Kühlmittel vermieden werden können.
Vorteilhaft sind die Spulen in einer Masse, bspw. Kunstharz, vergossen, damit sie vom Öl und den eventuell darin befindlichen Rückständen nicht angegriffen und zersetzt werden können. Solche Rückstände treten beispielsweise in Einsatzfeldern der Pumpen auf, in denen korrosive und andere Prozessgase gefördert werden müssen.
In einer vorteilhaften Ausführung ermöglicht die Regelelektronik, die Welle mit verschiedenen, vom Benutzer wählbaren Drehfrequenzen, zu betreiben und damit das Saugvermögen der Pumpe zu regulieren. Die Hydraulikpumpe muss so ausgelegt werden, dass sie auch im unteren Drehzahlbereich genügend Öldruck aufbaut, um die Lagerstellen mit Öl zu versorgen und das Hochvakuumsicherheitsventil 20 zu öffnen. Ein Überdruckventil im Ölkreislauf muss dann bei hohen Drehzahlen öffnen, um einen zu hohen Druck zu vermeiden.
In einer vorteilhaften Ausführung wird auf die Ölpumpe verzichtet. Statt dessen ist das Hochvakuumsicherheitsventil elektromagnetisch ausgestaltet und wird von der Regelelektronik 8 über Kabel 22 angesteuert. Stellt die Regelelektronik fest, dass sich die Welle nicht mehr dreht, schaltet sie das elektromagnetische Hochvakuumsicherheitsventil in den geschlossenen Zustand.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der die Regelelektronik 8 beinhaltende Gehäuseteil innerhalb des Pumpengehäuses angeordnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung zeigt 2. Gegenüber der in 1 gezeigten Ausführung besitzt diese Drehschiebervakuumpumpe einen Spalttopf 18. Dieser sitzt zwischen der Welle und den Spulen und erlaubt damit, die Spulen außerhalb des mit Öl gefüllten Raumes anzuordnen. Dieser Spalttopf besteht aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise einer Keramik.

Claims

Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe (1) mit – mindestens einer Pumpstufe, – wobei jede Pumpstufe aus einer zylindrischen Kammer mit darin exzentrisch angeordneter mit Schiebern (7) versehene Welle (12) besteht, – wobei alle Pumpstufen von einer einstückigen Welle angetrieben werden, – mit einem Antriebssystem für die Welle, dadurch gekennzeichnet, – dass das Antriebssystem aus auf der Welle angebrachten Permanentmagneten (14) und ortfesten elektrischen Spulen (10) besteht, die ein elektrisches Drehfeld erzeugen, – dass die zur Ansteuerung der Spulen notwendige Regelektronik (8) in einem abnehmbaren Gehäuseteil der Pumpe angeordnet ist.
Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Welle und den Spulen (10) ein Spalttopf (18) zur Trennung von Pumpraum (9) und Atmosphäre dient.
Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (16) zur Bestimmung der Rotorlage vorhanden sind.
Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (16) zur Bestimmung der Rotorlage Hallsensoren sind.
Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelelektronik (8) Mittel zur Änderung der Drehzahl der Welle enthält.
Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelelektronik (8) so ausgebildet ist, dass sie zur Energieversorgung direkt mit einem Spannungsnetz verbunden ist.
Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelelektronik (8) mit ein- oder mehrphasigen Spannungen zwischen 60 V und 400 V betrieben werden kann.
Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Leistungsteil (9) der Regelelektronik (8) mit der Gehäusewandung in thermischen Kontakt steht.
Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (10) in Kunstharz vergossen sind.
Ölgedichtete Drehschiebervakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Regelelektronik (8) beinhaltende Gehäuseteil innerhalb des Pumpengehäuses (2) angeordnet ist.