DE102008017955A1

DE102008017955A1 - Fluidgedichtete oder fluidgeschmierte Vakuum-Pumpe

Info

Publication number: DE102008017955A1
Application number: DE200810017955
Authority: DE
Inventors: Hans-Rochus Gross; Magnus Janicki; Ulrich Luckhardt
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2009-10-15
Also published as: WO2009124845A3; WO2009124845A2

Abstract

Eine fluidgedichtete oder fluidgeschmierte Vakuum-Pumpe (10) weist einen durch die Vakuum-Pumpe (10) hindurch verlaufenden Pumpweg (30) auf und enthält ein Hilfsfluid (20) zum Dichten oder Schmieren der Vakuum-Pumpe (10). Um das Startverhalten der Vakuum-Pumpe zu verbessern und den Energieverbrauch zu reduzieren, ist ein Ventil (100) vorgesehen, das von einem Dehnstoffelement (120) betätigt wird, wobei das Dehnstoffelement (120) derart angeordnet ist, dass das Ventil (100) betätigt wird, wenn die Temperatur des Dehnstoffs unter einen vorbestimmten Wert sinkt. Das Ventil (100) ist derart angeordnet, dass im betätigten Zustand des Ventils unterhalb des vorbestimmten Temperaturwerts das Antriebsmoment der Pumpe (10) reduziert ist.

Description

Die Erfindung betrifft fluidgedichtete oder fluidgeschmierte Vakuum-Pumpen, insbesondere ölgedichtete Vakuum-Pumpen.
Eine fluidgedichtete oder fluidgeschmierte Vakuum-Pumpe hat einen durch die Pumpe hindurch verlaufenden Pumpweg. Ein Hilfsfluid dichtet und/oder schmiert die Pumpe.
Eine Eigenschaft von fluidgedichteten Pumpen, insbesondere von ölgedichteten Vakuum-Pumpen, ist, dass das von dem Pumpenmotor benötigte Antriebsmoment von der Temperatur der Pumpe und/oder des Hilfsfluids abhängig ist. Bei niedriger Temperatur ist die Viskosität des Hilfsfluids höher als bei hoher Temperatur. Dadurch wird zum Starten einer kalten Pumpe mit einer geringen Hilfsfluidtemperatur von dem Motor ein hohes Antriebsmoment benötigt. Während des Betriebs der Pumpe steigen die Temperatur in der Pumpe und die Temperatur des Hilfsfluids durch die Kompressionswärme, die Reibungswärme und durch die von dem Motor abgegebene Wärme, wodurch das von dem Motor für die Pumpe benötigte Drehmoment sinkt. Bei einer ölgedichteten Vakuum-Pumpe kann die Öltemperatur auf über 90°C steigen.
Um die Dicht- bzw. Schmierfunktion des Hilfsfluids zu gewährleisten, muss die Viskosität auch noch bei höheren Betriebstemperaturen genügend hoch sein. Dadurch kann die Viskosität des Hilfsfluids nicht beliebig gering gewählt werden, um bei niedrigen Temperaturen das für die Pumpe benötigte Antriebsmoment zu reduzieren. Mehrbereichsöle, die z. B. im Automobilbau eingesetzt werden, sind bei Vakuum-Pumpen nachteilig, weil diese Öle nicht vakuumfeste Additive enthalten.
Herkömmlicherweise werden Pumpenmotoren mit hohem Drehmoment eingesetzt. Solche Motoren sind für den eigentlichen Betrieb der Pumpe überdimensioniert, wodurch zusätzliche Kosten entstehen und der Energieverbrauch erhöht ist. Bei einphasigen Motoren besitzt der Motor häufig noch eine aufwendige Anlaufschaltung.
Um das Startverhalten einer fluidgedichteten oder fluidgeschmierten Pumpe zu verbessern, wird oftmals die Umgebungstemperatur für den Pumpenbetrieb erhöht, z. B. auf mehr als 12°C, um so die Viskosität des Hilfsfluids zu senken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fluidgedichtete oder fluidgeschmierte Vakuum-Pumpe mit verbessertem Startverhalten und reduziertem Energieverbrauch zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Vakuum-Pumpe ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 1. Die fluidgedichtete oder fluidgeschmierte Vakkuum-Pumpe weist ein Ventil auf, das von einem Dehnstoffelement betätigt wird, wobei das Dehnstoffelement das Ventil betätigt, wenn die Temperatur des Dehnstoffs unter einen vorbestimmten Wert sinkt. Das Ventil ist derart angeordnet, dass im betätigten Zustand das von dem Motor aufzubringende Antriebsmoment für die Pumpe reduziert ist. Der betätigte Zustand des Ventils kann entweder der geöffnete oder der geschlossene Zustand sein, d. h. das Dehnstoffelement kann derart angeordnet sein, dass das Ventil öffnet oder schließt, wenn die Temperatur des Dehnstoffs unter einen vorbestimmten Wert sinkt, wobei das Ventil derart angeordnet ist, dass im geöffneten oder geschlossenen Zustand, den das Ventil unterhalb des vorbestimmten Temperaturwerts einnimmt, das von der Vakuum-Pumpe benötigte Antriebsmoment reduziert ist.
Die fluidgedichtete oder fluidgeschmierte Vakuum-Pumpe kann eine einstufige oder eine zweistufige Drehschieberpumpe oder eine Sperrschieberpumpe sein. Das Hilfsfluid ist vorzugsweise Öl. Beim Start der Pumpe sind die Temperaturen der Pumpe und des Hilfsfluids gering und die Viskosität des Hilfsfluids hoch. Durch die erhöhte Viskosität des Hilfsfluids sind der Druck des Hilfsfluids und die Reibung und somit die Pumpenlast erhöht. Beim Start der Pumpe ist das Ventil durch das Dehnstoffelement geöffnet bzw. geschlossen. Durch Öffnen bzw. Schließen des Ventils können der Druck des Hilfsfluids oder die Pumpenlast reduziert werden, um das von dem Motor benötigte Antriebsmoment für die Pumpe zu senken. Während des Betriebs der Pumpe steigen die Temperatur in der Pumpe und die Temperatur des Hilfsfluids. Dadurch sinkt die Viskosität des Hilfsfluids. Dies hat zur Folge, dass zum einen der Druck des Hilfsfluids und zum anderen die Reibungsverluste an den mit dem Hilfsfluid gedichteten und geschmierten Stellen sinken. Mit steigender Temperatur dehnt sich der Dehnstoff aus und schließt bzw. öffnet oberhalb einer vorbestimmten Temperatur von z. B. 24°C das Ventil und das Antriebsmoment der Pumpe ist nicht mehr reduziert.
Beispielsweise kann beim Starten der Pumpe das Ventil geschlossen sein, um die Hilfsfluidzufuhr zu der Pumpe zu reduzieren bzw. zu unterbrechen, so dass beim Starten der Pumpe weniger Hilfsfluid vorhanden ist und dadurch die Reibungskräfte reduziert sind. Oberhalb der vorbestimmten Temperatur öffnet das Ventil und die Hilfsfluidzufuhr zu der Pumpe ist nicht mehr unterbrochen. Alternativ kann das Ventil derart angeordnet sein, dass durch Öffnen des Ventils beim Starten der Pumpe das Hilfsfluid nicht der Pumpe zugeführt wird, sondern zuvor umgeleitet wird. Oberhalb der vorbestimmten Temperatur schließt das Ventil dann, um die Umleitung des Hilfsfluids zu unterbrechen und dadurch zu gewährleisten, dass das Hilfsfluid der Pumpe zum Schmieren bzw. Dichten zugeführt wird.
Die Temperatur des Dehnstoffes wird vorteilhafterweise von der Temperatur des Hilfsfluids bestimmt. Das Dehnstoffelement enthält ein mit Dehnstoff gefülltes Gehäuse, wobei der Dehnstoff bei Ausdehnung einen Kolben in einer ersten Richtung verschiebt. Bei entspannen des Dehnstoffs wird der Kolben von einer Feder in entgegengesetzter Richtung in die ursprüngliche Position zurückverschoben.
Die fluidgedichtete oder fluidgeschmierte Vakuum-Pumpe weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Versorgen mit Hilfsfluid auf. Die Einrichtung kann beispielsweise eine Ölpumpe aufweisen, die Öl aus einem Öllagerbereich zu dem Dichtungs- bzw. Schmierbereich der Pumpe fördert. Der Dichtungs- bzw. Schmierbereich ist der Bereich, der von dem Hilfsfluid abgedichtet bzw. geschmiert wird. Das Hilfsfluid kann zugleich als Dichtstoff und als Schmierstoff für die Pumpe dienen. Die Einrichtung zum Versorgen der Pumpe mit Hilfsfluid kann das Ventil aufweisen. Bei einer niedrigen Starttemperatur ist die Viskosität des Hilfsfluides hoch. Bei hohen Hilfsfluid-Viskositäten baut sich ein erhöhter Hilfsfluid-Druck auf. Die Hilfsfluidpumpe benötigt zur Erzeugung dieses Druckes ein höheres Antriebsmoment. Dieser Druckerhöhung wirkt das Ventil entgegen. Bei geringer Temperatur ist das Ventil betätigt, also geöffnet bzw. geschlossen, und der Druck des Hilfsfluids kann entweichen. Durch Verwendung einer Düse zwischen Ventil und Hilfsfluidlagerbereich kann ein Rückstau des Hilfsfluids hervorgerufen werden, wodurch nur ein Teil des Druckes bei betätigtem Ventil entweicht.
Das Ventil kann alternativ oder auch zusätzlich in dem Pumpweg vorgesehen sein. Bei geringeren Temperaturen während des Starts der Pumpe ist durch die erhöhte Hilfsfluid-Viskosität die Reibung der Pumpe erhöht, wodurch ein höheres Antriebsmoment des Motors benötigt wird. Die erhöhte Reibung führt zu einer erhöhten Pumpenlast. Dieser höheren Pumpenlast wirkt das Ventil im Pumpweg entgegen. Bei geöffnetem Ventil wird der Druck in dem Pumpweg, gegen den die Pumpe arbeiten muss, reduziert, wodurch das von dem Motor benötigte Antriebsmoment für die Pumpe reduziert wird.
Das Ventil kann auf verschiedene Weisen in dem Pumpweg angeordnet werden, z. B. parallel zu der fluidgedichteten Pumpe, parallel zu einem Auslassventil am ausgangsseitigen Ende der Pumpe, in dem Verbindungszweig des Pumpweges zwischen zwei Pumpenstufen einer Pumpe, am ausgangsseitigen Ende des Pumpenwegs einer einstufigen oder mehrstufigen Pumpe oder am eingangsseitigen Ende des Pumpwegs einer Pumpe. Am eingangsseitigen Ende kann das Ventil dazu dienen, den Eingang des Pumpwegs, d. h. den Ansaugstutzen, bei niedrigen Temperaturen von z. B. unter 24°C geschlossen zu halten. Es gibt Anwendungsfälle, in denen das Starten einer Vakuum-Pumpe mit geschlossenem Ansaugstutzen ein geringeres Anlaufelement erfordert als mit geöffnetem Ansaugstutzen. Das Verschließen des Ansaugstutzens durch das Ventil kann direkt oder indirekt über einen Einfluss auf den Öldruck des eigentlichen Saugstutzenventils erfolgen.
Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel des Ventils im geöffneten Zustand,
2 das Ventil nach 1 in geschlossenem Zustand,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Vakuum-Pumpe, bei dem das Ventil auf den Öldruck wirkt,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem das Ventil im Pumpweg parallel zu der Pumpe geschaltet ist,
5 eine Alternative zu dem Ausführungsbeispiel des Ventils in 1 im geöffneten Zustand,
6 das Ventil nach 5 in geschlossenem Zustand, und
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vakuum-Pumpe, bei dem das Ventil die Hilfsfluid-Zufuhr zu der Vakuum-Pumpe unterbricht.
Die Ausführungsbeispiele zeigen ölgedichtete Vakuum-Pumpen 10, bei denen das Hilfsfluid 20 Öl ist. Die Vakuum-Pumpen pumpen beispielsweise Gase in einem durch die Pumpe hindurch verlaufenden Pumpweg 30 aus Rohrleitungen. Die Pumpe wird von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. Die gezeigten Vakuum-Pumpen weisen entweder die in 3 oder die in 7 dargestellte Einrichtung 50 zum Versorgen der Vakuum-Pumpe 10 mit Öl 20 auf.
Hierzu weist die Ölversorgungseinrichtung 50 eine Ölpumpe 60 auf, die das Öl aus einem Öllagerbereich 70 in den Dichtungs- oder Schmierbereich 80 der Vakuum-Pumpe 10 pumpt. Das Ventil 100 ist in dem Ausführungsbeispiel nach 3 zwischen der Ölpumpe und dem Dichtungs- oder Schmierbereich 80 angeordnet und wirkt somit auf den Öldruck in dem Dichtungs- oder Schmierbereich 80 der Vakuum-Pumpe 10. Durch den in 3 schemenhaft dargestellten Spalt 90 entstehen Spaltverluste des Öldrucks.
Das Ventil 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist in den 1 und 2 dargestellt. Es besteht aus einem Gehäuse 110, einem Dehnstoffelement 120, einer nicht dargestellten Feder, die der Kraftwirkung des Dehnstoffelement 120 entgegenwirkt und einem Kolben 140. Mit steigender Temperatur dehnt sich der Dehnstoff in dem Dehnstoffelement 120 aus und das Dehnstoffelement 120 verschiebt den Kolben 140 in 1 nach links. 1 zeigt den Kolben 140 im nicht verschobenen Zustand. Das Ventil 100 ist geöffnet. 2 zeigt den Kolben 140 im verschobenen Zustand. Das Ventil ist geschlossen. Das Ventil 100 und das Dehnstoffelement 120 können beispielsweise derartig ausgebildet sein, dass das Ventil 100 unterhalb einer Temperatur von beispielsweise 24°C, wie in 1, geöffnet ist und bei einer Temperatur von beispielsweise mehr als 24°C, wie in 2, geschlossen ist. Alternativ können das Ventil 100 und das Dehnstoffelement 120 derartig ausgebildet sein, dass das Ventil 100 unterhalb einer Temperatur von beispielsweise 24°C, wie in 6, geschlossen ist und bei einer Temperatur von beispielsweise mehr als 24°C, wie in 5, geöffnet ist. Dem Ventil 100 ist eine Düse 62 nachgeschaltet, durch die das Öl in den Öllagerbereich 70 zurückströmt, wenn das Ventil 100 geöffnet ist. Durch die Düse 62 wird ein Rückstau des Öls hervorgerufen, so dass der Öldruck zwischen Ölpumpe 60 und Dichtungsbereich 80 nicht vollständig reduziert wird, sondern nur zum Teil.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Pumpenstufen 12, 14 der Vakuum-Pumpe 10. Der Pumpweg 30 wird zwischen Einlass 32 und Auslass 34 jeder Pumpenstufe 12, 14 durch das Ventil 100 überbrückt, d. h., dass zwischen Einlass 32 und Auslass 34 jeder Pumpenstufe 12, 14 in dem Pumpenweg 30 ein Ventil 100 der Pumpenstufe 12 bzw. 14 parallel geschaltet ist. Dadurch verbindet das Ventil 100 den Einlass 32 und den Auslass 34 der Pumpenstufe unterhalb einer bestimmten Temperatur und schließt so die Pumpstufe 12 bzw. 14 kurz. Dadurch wird das von der Pumpenstufe 12, 14 verlangte Antriebsmoment bei Temperaturen unterhalb 24°C reduziert. Dies kann bei nur einer Pumpenstufe als auch bei mehreren Pumpenstufen erfolgen.
Alternativ kann die in 7 dargestellte Anordnung als Alternative zu dem Ausführungsbeispiel nach 3 dienen. Die Ölversorgungseinrichtung 50 gemäß 7 weist die Ölpumpe 60 auf, die das Öl aus dem Öllagerbereich 70 in den Dichtungs- oder Schmierbereich 80 der Vakuum-Pumpe 10 pumpt. Das Ventil 100 ist in dem Ausführungsbeispiel nach 7 zwischen dem Öllagerbereich 70 und der Ölpumpe 60 angeordnet und wirkt somit auf den Öldruck in der Ölpumpe 60. Bei geschlossenem Ventil 100 ist die Zufuhr zu der Ölpumpe 60 und somit die Ölzufuhr zu der Vakuum-Pumpe 10 reduziert bzw. unterbrochen. Oberhalb einer Temperatur von beispielsweise 24°C öffnet das Ventil und die Zufuhr zu der Ölpumpe 60 ist nicht mehr unterbrochen, so dass die Ölpumpe 60 die Vakuum-Pumpe 10 mit ausreichend Öl zum Dichten oder Schmieren versorgt.

Claims

Fluidgedichtete oder fluidgeschmierte Vakuum-Pumpe (10) mit einem durch die Vakuum-Pumpe (10) hindurch verlaufenden Pumpweg (30), einem Hilfsfluid (20) zum Dichten oder Schmieren der Vakuum-Pumpe (10) und mindestens einem Ventil (100), das von einem Dehnstoffelement (120) betätigt wird, wobei das Dehnstoffelement (120) derart angeordnet ist, dass das Ventil (100) betätigt wird, wenn die Temperatur des Dehnstoffs unter einen vorbestimmten Wert sinkt, und wobei das Ventil (100) derart angeordnet ist, dass im betätigten Zustand des Ventils unterhalb des vorbestimmten Temperaturwerts das von der Vakuum-Pumpe (10) benötigte Antriebsmoment reduziert ist.
Vakuum-Pumpe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnstoffelement (120) derart angeordnet ist, dass dessen Temperatur durch die Temperatur des Hilfsfluids (20) oder der Vakuum-Pumpe (10) bestimmt wird.
Vakuum-Pumpe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsfluid (20) Öl ist.
Vakuum-Pumpe (10) nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuum-Pumpe (10) eine Drehschieber- oder eine Sperrschieberpumpe ist.
Vakuum-Pumpe (10) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnstoffelement (120) ein mit einem Dehnstoff gefüllten Gehäuse (110) und einen Kolben (140) aufweist, wobei der Dehnstoff den Kolben (140) in der einen Richtung betätigt und eine Feder den Kolben (140) in der anderen Richtung betätigt und wobei der Kolben (140) das Ventil (100) öffnet oder schließt.
Vakuum-Pumpe (10) nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuum-Pumpe (10) eine Einrichtung (50) zum Versorgen mit dem Hilfsfluid (20) aufweist, wobei das Ventil (100) mit der Einrichtung (50) funktional zusammenwirkt.
Vakuum-Pumpe (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (50) eine Hilfsfluidpumpe (60) aufweist, die das Hilfsfluid (20) von einem Lagerbereich (70) in einen Dichtungs- oder Schmierbereich (80) der Vakuum-Pumpe (10) befördert, wobei das Ventil (100) zwischen der Hilfsfluidpumpe (60) und dem Dichtungs- oder Schmierbereich (80) angeordnet ist, so dass der Öldruck in der Vakuum-Pumpe (10) bei geöffnetem Ventil (100) reduziert ist.
Vakuum-Pumpe (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (50) eine Hilfsfluidpumpe (60) aufweist, die das Hilfsfluid (20) von einem Lagerbereich (70) in einen Dichtungs- oder Schmierbereich (80) der Vakuum-Pumpe (10) befördert, wobei das Ventil (100) zwischen dem Lagerbereich (70) und der Hilfsfluidpumpe (60) angeordnet ist, so dass der Öldruck in der Pumpe (10) bei geschlossenem Ventil (100) reduziert ist.
Vakuum-Pumpe (10) nach einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (100) mit einer Düse (62) verbunden ist.
Vakuum-Pumpe (10) nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (100) in dem Pumpweg (30) angeordnet ist.
Vakuum-Pumpe (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuum-Pumpe (10) mehrere in dem Pumpweg (30) hintereinander geschaltete Pumpenstufen (12, 14) aufweist.
Vakuum-Pumpe (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (100) den Einlass (32) der Vakuum-Pumpe (10) mit dem Auslass (34) der Vakuum-Pumpe (10) oder den Einlass (32) einer Pumpenstufe mit dem Auslass (34) einer Pumpenstufe verbindet.
Vakuum-Pumpe (10) nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (100) und das Dehnstoffelement (120) derart angeordnet sind, dass das Ventil (100) unterhalb des vorbestimmten Temperaturwerts geöffnet ist.
Vakuum-Pumpe (10) nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (100) und das Dehnstoffelement (120) derart angeordnet sind, dass das Ventil (100) unterhalb des vorbestimmten Temperaturwerts geschlossen ist.