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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung mit Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff
des ersten Anspruchs und ein Verfahren zum Betrieb einer Vakuumpumpe
nach dem Oberbegriff des siebten Anspruchs.
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Vakuumpumpen
sind heute aus vielen Industrieprozessen nicht mehr wegzudenken.
Die Anwendungen erstrecken sich über viele Gebiete, von
Gefriertrocknung über Lecksuche bis zu Lampen- und Röhrenproduktion,
um nur einige zu nennen. Die in diesen Anwendungen benutzten Prozesse
besitzen heute immer kürzere Zykluszeiten, was die Belastung
der Vakuumpumpe erhöht. Hinzu kommt der Wunsch, trocken
verdichtende Vakuumpumpen einzusetzen, d. h. Vakuumpumpen, deren
Schöpfraum weitgehend frei von Schmierstoffen ist. Da jedoch
oftmals berührende Dichtungen in diesen Bedingungen eingesetzt
werden müssen, unterliegen diese einem hohen Verschleiß.
Maßnahmen zur Verschleißsenkung sind bekannt,
so schlägt die
DE-OS
10 2006 012 532 vor, die Dichtung mit einem Führungselement
zu unterstützen. Es besteht jedoch der Wunsch, weitergehende
Verbesserungen der Standzeiten zu erzielen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumpumpe vorzustellen,
die auf baulich einfache Weise eine verlängerte Standzeit
besitzt. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren
zum Betrieb einer Vakuumpumpe vorzustellen, welches die Standzeit
verlängert.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen
des ersten Anspruchs und einem Verfahren mit den Merkmalen des siebten Anspruchs.
Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 und 8 geben vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung an.
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Eine
Messbaugruppe zur Bestimmung einer elektrischen Betriebsgröße
des Motors der Vakuumpumpe ermöglicht es, den Motor so
zu betreiben, dass der Verschluß der Pumpstufe stark reduziert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 7
besitzt den Vorteil, dass durch eine einfache Messung und ein einfaches
Kriterium ein verschleißreduzierender Betrieb bei abgesenkter
Drehzahl eingeleitet werden kann.
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Das
Verfahren wird vorteilhaft dadurch weitergebildet, dass das Unterschreiten
eines Leistungsschwellwertes als Kriterium gewählt wird,
die Drehzahl abzusenken. Dies vereinfacht die notwendige Steuerungsbaugruppe.
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Die
Weiterbildung, zwischen Messbaugruppe und Bestromungsbaugruppe eine
Verbindung vorzusehen, vereinfacht die Schaltung und ermöglicht die
automatische Umschaltung in den verschleißarmen Betriebszustand.
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Eine
andere Weiterbildung schlägt vor, wenigstens zwei Pumpstufen
vorzusehen, wobei der Motor wenigstens zwei dieser Pumpstufe gleichzeitig antreibt.
In dieser Anordnung kommen die Vorteile besonders zur Geltung, da
ein einfaches und eindeutiges Kriterium zum Umschalten in den verschleißarmen
Betriebszustand vorliegt. Beispielsweise werden Positionierungsprobleme
von Druckschaltern vermieden. In mehrstufigen Vakuumpumpen treten viele
unterschiedliche Druckniveaus an verschiedenen Stellen der Pumpe
auf und es ist unklar, welche Druckmessung den sinnvollsten Wert
zur Beurteilung der Umschaltung liefert.
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Die
Verschleißminderung ist besonders ausgeprägt,
wenn der Motor als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet
ist, da dieser auch bei geringen Drehzahlen ein hinreichendes Drehmoment
erzeugt. So können besonders niedrige Drehzahlen realisiert
werden, ohne bei der Pumpwirkung Einbußen zu verzeichnen.
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Eine
Weiterbildung schlägt vor, dass wenigstens eine Pumpstufe
trockenlaufend gegen Atmosphäre verdichtend gestaltet ist.
Hier ist der Vorteil der Verschleißminderung besonders
ausgeprägt.
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Eine
letzte Weiterbildung schlägt vor, dass wenigstens eine
Pumpstufe einen in einer Laufbuchse laufenden Hubkolben und eine
Dichtung zwischen Laufbuchse und Hubkolben aufweist. Hier kommt
die Verschleißminderung stark zur Geltung, da die Dichtung
stark verschleißgefährdet ist, die Vakuumpumpe jedoch
mit geringer Drehzahl betrieben werden kann, ohne Dichtheit zu verlieren.
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Die
Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert und ihre Vorteile vertieft werden. Es zeigen:
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1:
Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Anordnung mit Vakuumpumpe.
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2:
Schnitt durch eine zweistufige Hubkolbenvakuumpumpe entlang der
Wellenachse.
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3:
Schnitt durch die zweitstufige Hubkolbenvakuumpumpe entlang der
Linie I-I' und senkrecht zur Wellenachse.
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4:
schematische Darstellung der im Antriebsgerät der Hubkolbenvakuumpumpe
vorgesehenen Schaltung.
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Die
Erfindung ist zunächst in 1 schematisch
dargestellt.
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Die
Vakuumpumpe 10 beinhaltet eine Pumpstufe 12 und
einen Motor 14. Dieser treibt die Pumpstufe an. Neben der
Vakuumpumpe ist ein Antriebsgerät 20 vorgesehen.
Es kann ein eigenständiges Gerät sein, oder sich
in einem Gehäuseteil der Vakuumpumpe befinden. Das Antriebsgerät
beinhaltet eine Bestromungsbaugruppe 21, welche durch eine Bestromungsleitung 22 mit
dem Motor der Vakuumpumpe verbunden ist. Die Bestromungsbaugruppe erzeugt
Strom und Spannung derart, dass der Motor in Bewegung, vorzugsweise
in Drehung, versetzt wird. Strom und Spannung werden über
die Bestromungsleitung dem Motor zugeführt.
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Eine
Messleitung 26 ist vorgesehen und verbindet die Bestromungsleitung 22 mit
einer Messbaugruppe 24. Diese Messbaugruppe ist derart
gestaltet, dass sie eine elektrische Größe bestimmt,
die über die Bestromungsleitung übertragen wird.
Diese elektrischen Größen können Strom
oder Spannung sein. Vorzugsweise wird von der Messbaugruppe durch Messung
einer elektrischen Größe die Leistungsaufnahme
des Motors bestimmt. Über eine Verbindung 27 stehen
Messbaugruppe und Bestromungsbaugruppe in Kontakt. Durch diesen
Kontakt wird auf Signal der Messbaugruppe die Bestromung des Motors geändert.
Diese Änderung erfolgt abhängig von der gemessenen
Bestromung. Insbesondere wird die durch die Bestromung erzeugte
Drehzahl des Motors abgesenkt, sobald die Messbaugruppe eine geringe Leistungsaufnahme
durch den Motor bestimmt.
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Vorteilhaft
ist die Pumpstufe trocken verdichtend gestaltet, beispielsweise
als Membran-, Kolben- oder Hubkolbenpumpe, da hier die Drehzahlabsenkung
zu einer besonders deutlichen Verschleißabsenkung führt.
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Anhand
einer Hubkolbenvakuumpumpe soll unter Bezug auf die 2 und 3 die
Erfindung verdeutlicht werden.
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Die
Hubkolbenvakuumpumpe 210 weist in ihrem Gehäuse 240 eine
von Lagern 253, beispielsweise Wälzlagern, drehbar
unterstützte Welle 250 auf. Diese Welle wird von
einem Motor 214 in Drehung versetzt, welcher von statorseitigen
elektrischen Spulen 251 und wellenseitigen Permanentmagneten 252 gebildet
wird. Er ist als bürstenloser Gleichstrommotor gestaltet.
Mit der Welle ist eine Kurbelscheibe 254 verbunden, welche
einen Kurbelzapfen 255 besitzt. Auf diesem ist ein Pleuel 256 drehbar
gelagert.
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Ein
gasdicht mit dem Gehäuse verbundener Zylinder 241 weist
einen zylindrischen Hohlraum auf, in den die Laufbuchse 245 eingepasst
ist. In dieser Laufbuchse bewegt sich der mit dem Pleuel 256 verbundene
und über diesen angetriebene Kolben 246 zwischen
zwei Umkehrpunkten hin und her.
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In
einem ersten Umkehrpunkt gibt der Kolben Eintrittsöffnungen
frei, die mit dem Gaseinlass 243 in gasführender
Verbindung stehen. Im zweiten Umkehrpunkt hebt er einen Ventildeckel 249 von
dem Ventilsitz ab, so dass Gas aus dem von Kolben, Ventildeckel
und Laufbuchse begrenzten Schöpfraum 248 ausgestoßen
wird. Das Gas verlässt anschließend über
den am Zylinderdeckel 242 vorgesehenen Gasauslass 244 die
Pumpstufe und gelangt in die Übergabeleitung 280.
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Am
Kolben ist eine Dichtung 247 befestigt, welche die Laufbuchse
gleitend berührt und auf diese Weise den Zwischenraum zwischen
Laufbuchse und Kolben abdichtet. Durch die gleitende Berühung
und der Abwesenheit von Schmiermitteln wie beispielsweise Öl
unterliegt diese Dichtung einer hohen Beanspruchung und verschleißt
dementsprechend stark.
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Die
Hubkolbenvakuumpumpe weist ein Antriebsgerät 220 auf,
in welchem eine Bestromungsbaugruppe 221 und eine Leistungsbestimmungseinheit 224 vorgesehen
sind. Die Bestromungsbaugruppe steht mittels der Bestromungsleitung 222 mit
den elektrischen Spulen in elektrischem Kontakt. Sie erzeugt Ströme
und Spannungen in den Spulen, die die Drehung der Welle bewirken.
Die Bestromungsbaugruppe ist derart gestaltet, dass die Drehzahl
der Welle in einem weiten Drehzahlbereich eingestellt werden kann.
Der Drehzahlbereich umfasst vorteilhaft den Bereich Stillstand, über
weniger Umdrehungen pro Sekunden bis hin zu sechzig Umdrehungen pro
Sekunde. Die Leistungsbestimmungseinheit ist derart gestaltet, dass
sie die vom Motor aufgenommene Leistung durch Messung von elektrischen
Größen bestimmt. Die Messung erfolgt über
eine Messleitung 226. Abhängig von der gemessenen
Leistungsaufnahme wird die Drehzahl gestellt. Insbesondere wird,
wenn die Leistungsaufnahme sinkt, die Drehzahl auf einen niedrigen
Wert eingestellt. Eine sinkende Leistungsaufnahme des Motors ist
charakteristisch für eine geringe in der Pumpstufe zu leistende
Verdichtungsarbeit, insbesondere für eine geringe zu verdichtende
Gasmenge. Bei einer geringen Gasmenge reicht eine geringe Drehzahl
und damit eine geringe Anzahl von Hüben des Kolbens aus,
um am Gaseinlass ein tiefes Vakuum zu halten. Eine geringe Anzahl
von Hüben ist gleich zu setzen mit einem wesentlich verringerten
Verschleiß der Dichtung, da diese pro Sekunde weniger an
der Laufbuchse reibt. Vorteilhaft einfach ist es, die Drehzahl von
einem oberen Normalbedingungswert bei Unterschreiten eines Leistungsaufnahmeschwellwertes auf
einen niedrigen Schondrehzahlwert umzuschalten.
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In 3 ist
die Hubkolbenvakuumpumpe in einem Schnitt entlang der in 2 eingezeichneten Linie
I-I' gezeigt. Entsprechend sind Pleuel 256, Laufbuchse 245,
Kolben 246 und Zylinder 241 der ersten Pumpstufe
zu sehen. Ebenfalls sind bei 2 bereits erwähnte
Dichtung 247, Zylinderdeckel 242 und Ventildeckel 242 zu
sehen.
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Ein
zweiter Zylinder 261 mit einem zweiten Zylinderdeckel 262 ist
ebenfalls mit dem Gehäuse 240 der Hubkolbenvakuumpumpe
verbunden und bildet deren zweite Pumpstufe. In dem Zylinder ist
eine zweite Laufbuchse 265 vorgesehen, in welcher sich ein
zweiter Kolben 266 hin und her bewegt. Er ist mit einem
zweiten Pleuel 257 verbunden und wird von diesem angetrieben.
Hierzu ist der Pleuel an dem Kurbelzapfen 255 drehbar gelagert,
welcher an der Kurbelscheibe 254 vorgesehen ist. Diese
wird von der Welle 250 in Drehung versetzt. Das aus der
ersten Pumpstufe ausgestoßene Gas gelangt durch die Übergabeleitung
an den Zweitstufengaseinlass 281. Nach Verdichtung durch
den zweiten Kolben hebt dieser den zweiten Ventildeckel 269 ab
und stößt das Gas durch den Pumpenauslass 282 gegen
Atmosphäre aus. Auch am Kolben der zweiten Pumpstufe ist
eine die Laufbuchse beruhenden Dichtung 267 vorgesehen,
die nach dem gleichen Prinzip wie bei der Dichtung 247 der
ersten Pumpstufe Verschleiß unterliegt. In gleicher Weise
wird der Verschleiß vermindert, sobald die Drehzahl nach
der vorbeschriebenden Verfahren abgesenkt wird.
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Abschließend
zeigt 4 den prinzipiellen Aufbau der elektrischen Schaltung
des Antriebsgeräts 220 in einer schematischen
Darstellung. Eine Spannungsaufbereitung 431 ist lösbar
an ein elektrisches Versorgungsnetz 430 angeschlossen.
Dieses Versorgungsnetz ist beispielsweise das 230 V Wechselspannungsnetz
oder ein Industriespannungsnetz. Die Spannungsaufbereitung erzeugt
die Spannung für einen Zwischenkreis 432 und Betriebsspannungen
für die Elektronikbaugruppen dieser Schaltung. Daher ist
sie über einen Versorgungskreis 440 mit der Leistungsbestimmungseinheit 224 und
dem Geber 433 der Bestromungsbaugruppe 221 verbunden. Die
Bestromungsbaugruppe weist eine Endstufe 434 auf. In dieser
Endstufe sind paarweise ein oberer Leistungstransistor 435 und
ein unterer Leistungstransistor 436 angeordnet. Sie formen
die Spannung des Zwischenkreises in Phasenspannung um, welche dann über
die Motorphasen 437 an die Spulen des Motors 214 angelegt
werden. Die Beschaltung der Leistungstransistoren 435, 436 erfolgt
durch den Geber. Dieser bewirkt ein Sperren oder Öffnen
der Leistungstransistoren derart, dass der Motor durch Bestromung
der Motorphasen in Drehung versetzt wird, wobei der Geber so gestaltet
ist, dass er die Beschaltung der Leistungstransistoren für
eine Vielzahl von Drehzahlen erzeugen kann.
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Die
Leistungsbestimmungseinheit ist über eine Messleitung 226 mit
den Motorphasen verbunden und misst die in diesen auftretenden Ströme
und Spannungen. Zwischen Leistungsbestimmungseinheit und Geber besteht
eine Verbindung. Bestimmt die Leistungsbestimmungseinheit das Absinken
der Leistungsaufnahme durch den Motor, wird der Geber veranlasst,
eine Taktung der Leistungstransitoren und damit der Bestromung der
Motorphasen derartig zu bewirken, dass die Drehzahl der Motors einen niedrigeren
Wert erhält. Vorteilhaft einfach ist es, die Drehzahl von
einem oberen Normalbedingungswert bei Unterschreiten eines Leistungsaufnahmeschwellwertes
auf einen niedrigen Schondrehzahlwert umzuschalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006012532
A [0002]