DE102007043350B3

DE102007043350B3 - Vakuumpumpe sowie Verfahren zur Steuerung einer Gasballastzufuhr zu einer Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE102007043350B3
Application number: DE200710043350
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Abraham; Richard Louis Dr. Rogers
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: WO2009033986A1; EP2191137A1; EP2191137B1

Abstract

Eine Vakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Drehschieberpumpe oder eine Schraubenpumpe handelt, weist eine Kompressionskammer (20) auf. Die Kompressionskammer (20) ist mit einem Kammereinlass (22) und einem Kammerauslass (26) versehen. Ferner ist die Kompressionskammer (20) mit einem Gasballasteinlass (32) verbunden. Um zu gewährleisten, dass bei unterschiedlichen Drücken innerhalb der Kompressionskammer (20) stets Gas durch den Gasballasteinlass (32) strömt, ist der Gasballasteinlass (32) mit einem Gasballastraum (36) verbunden. In dem Gasballastraum (36) ist Gas mit einem Druck bevorratet, der höher als der Atmosphärendruck und/oder höher als der Druck in der Kompressionskammer (20) ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass eine übermäßige Erwärmung der Vakuumpumpe vermieden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Drehschieberpumpe oder Schraubenpumpe. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Gasballastzufuhr zu einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Drehschieberpumpe oder Schraubenpumpe.
Derartige Vakuumpumpen weisen eine Kompressionskammer auf, in der ein Kompressionselement angeordnet ist. Bei einer Drehschieberpumpe weist das Kompressionselement mehrere Schieber auf, wobei durch Drehen der bezogen auf die Kompressionskammer exzentrisch gelagerten Schieber ein Komprimieren und Fördern des in der Kompressionskammer vorhandenen Gases, insbesondere der Luft erfolgt. Entsprechend weist als Kompressionselement eine Schraubenpumpe rotierende Schraubenelemente auf, durch die ein Fördern bzw. Komprimieren des Gases sowie der Luft erfolgt. Die Kompressionskammer weist einen Kammereinlass auf, der mit dem zu vakuumierenden Raum verbunden ist. Ferner weist die Kompressionskammer einen Kammerauslass auf, aus dem das geförderte Gas, insbesondere die Luft ausgestoßen wird. Bei derartigen Vakuumpumpen ist es bekannt, einen Gasballasteinlass vorzusehen, durch den Gas, üblicherweise Luft eingesaugt wird. Der Gasballasteinlass ist üblicherweise mit einem Rückschlagventil versehen, so dass in die Kompressionskammer Gas eingesaugt wird, solange der Druck in der Kompressionskammer insgesamt niedriger als Atmosphärendruck ist.
Aus DE 10 2006 039 529 A1 ist eine Vakuumpumpe beschrieben, die zum Pumpen von Gasen mit reaktiven Partikeln geeignet ist. Hierzu weist die Vakuumpumpe einen Sauerstoffeinlass auf, über den kontrolliert Sauerstoff dem Kompressionsraum zugeführt werden kann. Hierdurch erfolgt im Kompressionsraum eine kontrollierte Oxidation.
Zum Einsatz von Vakuumpumpen, die bei kritischen Prozessen der Brandgefahr ausgesetzt sind, werden Vakuumpumpen in unterschiedliche Klassen eingeteilt. Die Klassen sind in der Artex-Norm festgelegt. Beispielsweise werden Vakuumpumpen in die Klasse T3 eingeteilt, wenn sichergestellt ist, dass sich die Pumpe in allen Bereichen nicht über 200°C erhitzen kann. Bei der Klasse T4 liegt die Grenze bei 135°C.
Bei Vakuumpumpen, in denen das zu fördernde Medium, üblicherweise Luft, komprimiert wird, entsteht aufgrund der Kompression eine Temperaturerhöhung. Die Temperaturerhöhung kann in wenigen Sekunden erfolgen. Beispielsweise kann bei einer Drehschieberpumpe, die ca. 75 mal pro Sekunde Medium aus der Kompressionskammer fördert, eine Temperaturerhöhung auf ca. 170°C–180°C innerhalb weniger Sekunden entstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe sowie ein Verfahren zur Steuerung einer Gasballastzufuhr zu einer Vakuumpumpe zu schaffen, bei der ein Erwärmen über eine Grenztemperatur, insbesondere über die Grenztemperatur der Artex-Norm T4 vermieden ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 7.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Drehschieberpumpe oder um eine Schraubenpumpe handelt, weist eine Kompressionskammer auf, die einen Kammereinlass und einen Kammerauslass aufweist. Ferner ist die Kompressionskammer zur Zufuhr von Gasballast wie Luft, Stickstoff oder dgl. mit einem Gasballasteinlass verbunden. Erfindungsgemäß ist der Gasballasteinlass mit einem Gasballastraum verbunden, in dem Luft oder ein anderes Gas bevorratet ist. Erfindungsgemäß wird das Gas in dem Gasballastraum unter einem Druck gehalten, der höher ist als der Atmosphärendruck oder höher ist als der Druck in der Kompressionskammer. Hierdurch ist sichergestellt, dass in jedem Betriebszustand der Vakuumpumpe Gas durch den Gasballasteinlass in die Kompressionskammer strömt. Aufgrund dieser Gaszufuhr kann die Erwärmung der Vakuumpumpe aufgrund der Kompression des sich in der Kompressionskammer befindenden Gases verringert werden. Erfindungsgemäß ist es hierdurch möglich, auf einfache Weise eine Vakuumpumpe zu schaffen, deren Temperatur vorgegebene Grenztemperaturen nicht überschreitet. Besonders vorteilhaft ist, dass es hierdurch möglich ist, die Artex-Norm T4 zu realisieren, so dass entsprechende Vakuumpumpen auch in temperaturkritischen Vorrichtungen bzw. Umgebungen eingesetzt werden können.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Vakuumpumpe eine Steuereinrichtung auf. Mit Hilfe der Steuereinrichtung ist es möglich, den Gasdruck in der Gasballastkammer zu regeln. Vorzugsweise erfolgt die Regelung in Abhängigkeit des Drucks am Kammereinlass der Kompressionskammer. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da der Druck am Kammereinlass auf einfache Weise mit Hilfe eines Drucksensors, der vorzugsweise mit der Steuereinrichtung verbunden ist, gemessen werden kann. Das Messen des Drucks innerhalb der Kompressionskammer wäre erheblich aufwendiger. Da ausgehend von dem am Kammereinlass gemessenen Druck die Druckverhältnisse der Kompressionskammer bekannt sind, bzw. in ausreichender Näherung bestimmt werden können, kann eine entsprechende Regelung des Drucks in dem Gasballastraum erfolgen. Hierzu ist in bevorzugter Ausführungsform innerhalb des Gasballastraums ebenfalls ein Drucksensor angeordnet, bzw. mit dem Gasballastraum verbunden.
Insbesondere im Grenzbereich der Vakuumpumpe kann das Problem auftreten, dass durch eine zu große Menge an zugeführtem Gasballast der gewünschte Enddruck in dem zu vakuumierenden Raum bzw. am Kammereinlass nicht erzielt werden kann. In bevorzugter Ausführungsform ist die Vakuumpumpe mit einem Mengenregler zur Regelung des über den Gasballasteinlass der Kompressionskammer zugeführten Gasvolumens bzw. Gasgewichts verbunden. Ein entsprechender Mengenregler ist vorzugsweise zwischen dem Gasballastraum und dem Gasballasteinlass angeordnet. Als Mengenregler kann beispielsweise eine Entspannungsdüse vorgesehen sein. Hierbei handelt es sich um eine einfache mechanische Mengenreglung, die jedoch, um stets ein konstantes Gasvolumen zuzuführen, voraussetzt, dass ein Druckverhältnis der Drücke vor und nach der Entspannungsdüse eingehalten wird. Zusätzlich oder anstatt einer Entspannungsdüse kann der Mengenregler daher auch eine Durchfluss-Messeinrichtung, wie einen Massenstromsensor aufweisen. Dieser kann sodann mit einem regelbaren Durchlassventil verbunden sein. Da üblicherweise am Gasballasteinlass ein Rückschlagventil vorgesehen ist, um das Austreten von Schmiermitteln aus der Kompressionskammer zu vermeiden, ist es in bevorzugter Ausführungsform möglich, dass Rückschlagventil zusätzlich als regelbares Ventil auszugestalten, um die der Kompressionskammer zugeführte Menge an Gas zu regeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Gasballastzufuhr zu einer Vakuumpumpe ist insbesondere für die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vakuumpumpe geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann, wie vorstehend anhand der Vakuumpumpe beschrieben, vorteilhaft weitergebildet sein.
Erfindungsgemäß wird ein Einlassdruck an einem Kammereinlass der Vakuumpumpe, d. h. an einem Einlass zu der Kompressionskammer der Vakuumpumpe gemessen. In Abhängigkeit des gemessenen Einlassdrucks erfolgt ein Regeln eines Gasballastdrucks. In Abhängigkeit der Höhe des Gasballastdrucks und des Drucks im Innern der Kompressionskammer wird somit eine vorgegebene Menge an Gasballast der Kompressionskammer der Vakuumpumpe zugeführt. Hierbei können, wie vorstehend anhand der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe beschrieben, zusätzlich Mengenregler im Bereich des Gasballasteinlass vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ zu der Regelung des Gasballastdrucks kann eine Regelung der zugeführten Gasballastmenge erfolgen.
Die zugeführte Gasballast-Menge, d. h. das zugeführte Volumen und/oder das zugeführte Gewicht können beispielsweise über eine Durchfluss-Messeinrichtung bestimmt werden. Eine derartige Durchfluss-Messeinrichtung ist vorzugsweise im Bereich des Gasballasteinlasses angeordnet.
In bevorzugter Ausführungsform erfolgt die Regelung des Gasballastdrucks derart, dass der Gasballastdruck höher als der gemessene Einlassdruck ist.
Eine Regelung des Gasballastdrucks bzw. der Gasballastmenge erfolgt beispielsweise mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Steuereinrichtung, in bevorzugter Ausführungsform ab Erreichen, insbesondere Überschreiten eines Grenzdrucks des Einlassdrucks. Beispielsweise erfolgt eine Regelung ab einem Grenzdruck von 500 mbar (500 Pa).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform einer als Drehschieberpumpe ausgebildeten Vakuumpumpe näher erläutert.
Die Figur zeigt eine schematische Schnittansicht einer Prinzipskizze einer Drehschieberpumpe mit Gasballastzufuhr.
Eine Drehschieberpumpe weist ein Gehäuse 10 auf. In dem Gehäuse 10 ist exzentrisch zu dem zylindrisch ausgebildeten Gehäuse eine Welle 12 angeordnet. In der Welle 12 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel in drei Schlitzen 14 jeweils Schieber 16 angeordnet. Die Schieber 16 sind derart ausgebildet, beispielsweise federbelastet, dass sie stets an einer Innenwand 18 der Kompressionskammer 20 anliegen. Die Kompressionskammer 20 befindet sich in dem Bereich zwischen der Welle 12 und der Innenwand 18 des Gehäuses 10.
Ferner weist das Gehäuse 10 einen Kammereinlass 22 auf, der mit einem zu vakuumierenden Raum verbunden wird. Durch den Kammereinlass 22 wird die Luft in Richtung eines Pfeils 24 in die Kompressionskammer 20 gesaugt.
Ferner ist mit dem Gehäuse 10 ein Kammerauslass 26 verbunden. Durch das Drehen der Welle 12 in Richtung eines Pfeils 28 wird das eingesaugte Medium vom Kammereinlass 22, im dargestellten Ausführungsbeispiel im Uhrzeigersinn zum Kammerauslass 26 transportiert und in Richtung des Pfeils 30 ausgestoßen.
Die Kompressionskammer 20 ist ferner mit einem Gasballasteinlass 32 versehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Gasballasteinlass 32 ein Rückschlagventil 34 angeordnet, durch das ein Austreten von Medium aus der Kompressionskammer 20 durch den Gasballasteinlass 32 vermieden ist.
Der Gasballasteinlass 32 ist mit einem Gasballastraum 36 verbunden. Im Gasballastraum 36 ist Gas, beispielsweise Luft, Stickstoff oder anderes geeignetes Gas angeordnet und mit Druck beaufschlagt. Der Gasballastraum 36 kann über eine Leitung 38 mit Gas befüllt werden.
In Abhängigkeit der Druckverhältnisse in dem Bereich 40 der Kompressionskammer 20 und dem Druck in dem Gasballastraum 36, strömt Gas entgegen der Schließrichtung des Rückschlagventils 34 durch den Gasballasteinlass 32 in den Raum 40.
Zur Regelung des Drucks in dem Gasballstraum 36 ist eine Steuereinrichtung 42 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 42 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine elektrische Leitung 44 mit einem ersten Drucksensor 46 verbunden. Der Drucksensor 46 ist im Bereich des Kammereinlasses 22 angeordnet und misst den Einlassdruck. Über eine weitere elektrische Leitung 48 ist die Steuereinrichtung 42 mit einem zweiten Drucksensor 50 verbunden. Der Drucksensor 50 misst den in dem Gasballastraum 36 herrschenden Druck. Die Steuereinrichtung 42 ist ferner mit einer nicht dargestellten Einrichtung zur Druckregelung, bei der es sich beispielsweise um einen Kolben handeln kann, verbunden.
Ferner ist die Steuereinrichtung 42 mit einer Durchflussmesseinrichtung 52 über eine elektrische Leitung 54 verbunden. Mit Hilfe der Durchflussmesseinrichtung 52 kann die Gasmenge, d. h. das Gewicht oder das Volumen gemessen werden, die aus dem Gasballastraum 36 in die Kammer 40 strömt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu der Durchfluss-Messeinrichtung 52 eine Entspannungsdüse 56 zwischen dem Gasballastraum 36 und im Gasballasteinlass 32 angeordnet.
Wird beispielsweise mittels des ersten Drucksensors 46 ein Einlassdruck gemessen, der größer als 500 mbar ist, erfolgt eine Erhöhung des Drucks in dem Gasballastraum 36 durch entsprechende Signale der Steuereinrichtung 42. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme ist gewährleistet, dass stets eine definierte Menge an Gasballast durch den Gasballasteinlass 32 in die Kammer 40 strömt.
Dadurch ist gewährleistet, dass es sich bei der Komprimierung des Gases, insbesondere unmittelbar vor dem Kompressionsauslass 26 keine kritische Temperatur ergibt. Es kann so beispielsweise gewährleistet werden, dass auch in diesem mit temperaturkritischen Bereich der Vakuumpumpe stets eine Temperatur von weiniger als 135°C herrscht und die Vakuumpumpe somit die Artex-Norm T4 erfüllt.

Claims

Vakuumpumpe, insbesondere Drehschieberpumpe oder Schraubenpumpe, mit einer Kompressionskammer (20), die einen Kammereinlass (22) und einen Kammerauslass (26) aufweist, einem mit der Kompressionskammer (26) verbundenen Gasballasteinlass (32) und einem mit dem Gasballasteinlass (32) verbundenen Gasballastraum (36), in dem Gas mit einem Druck höher als der Atmosphärendruck und/oder höher als der Druck in der Kompressionskammer (20) vorhanden ist, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (42) zur Steuerung des Gasdrucks in dem Gasballastraum (36) in Abhängigkeit des Drucks am Kammereinlass (22), wobei die Steuereinrichtung (42) mit einem am Kammereinlass (22) angeordneten Drucksensor (46) verbunden ist.
Vakuumpumpe, insbesondere Drehschieberpumpe oder Schraubenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (42) mit einem am Gasballastraum (36) angeordneten Drucksensor (50) verbunden ist.
Vakuumpumpe, insbesondere Drehschieberpumpe oder Schraubenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Gasballastraum (36) und dem Gasballasteinlass (32) angeordneten Mengenregler zur Regelung der der Kompressionskammer (20) zugeführten Gasmenge.
Vakuumpumpe, insbesondere Drehschieberpumpe oder Schraubenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenregler eine Entspannungsdüse (56) aufweist.
Vakuumpumpe, insbesondere Drehschieberpumpe oder Schraubenpumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenregler eine Durchfluss-Messeinrichtung (52), insbesondere einen Massenstromsensor aufweist.
Vakuumpumpe, insbesondere Drehschieberpumpe oder Schraubenpumpe nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenregler, insbesondere die Durchfluss-Messeinrichtung (52) mit der Steuereinrichtung (42) verbunden ist.
Verfahren zur Steuerung einer Gasballastzufuhr zu einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Vakuumpumpe gemäß einem der Ansprüche 1–6, mit den Schritten: a. Messen eines Einlassdrucks an einem Kammereinlass (22) der Vakuumpumpe und b. Regeln eines Gasballastdrucks und/oder einer der Kompressionskammer (20) der Vakuumpumpe zugeführten Gasballastmenge.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem der Gasballastdruck derart geregelt wird, dass er höher als der Einlassdruck, insbesondere um einen Faktor von mindestens 1,5–2,5 höher ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem eine Regelung des Gasballastdrucks und/oder der Gasballastmenge ab Erreichen, insbesondere Überschreiten eines Grenzdrucks am Kammereinlass (22) erfolgt.