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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Scrollpumpe, die eine Pumpenkopf Baugruppe hat, welche eine stationäre Scrollplatte und eine umlaufende Scrollplatte, einen Pumpenmotor, der an die umlaufende Scrollplatte gekoppelt ist, um die umlaufende Scrollplatte anzutreiben, und ein Mittel zum Kühlen von einer oder mehr Komponenten der Pumpe enthält. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum und Mittel zum Regulieren der Temperatur von Komponenten einer Scrollpumpe.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Eine Scrollpumpe ist ein Pumpentyp, der eine stationäre Scrollplatte, die eine stationäre Platte und einen spiralförmigen stationären Scrollflügel hat, welcher axial daraus hervorsteht, und eine umlaufende Scrollplatte enthält, die eine umlaufende Platte und einen spiralförmigen umlaufenden Scrollflügel hat, welcher axial daraus hervorsteht. Der stationäre Scrollflügel und der umlaufende Scrollflügel sind mit einem Spiel und einer vorbestimmten Winkelpositionierung verschachtelt, und eine Dichtung ist zwischen der Spitze (freies Ende) des Scrollflügels von einer (oder beiden) der Scrollplatten und der Platte (oder den Platten) der anderen Scrollplatte bereitgestellt, so dass eine Tasche (oder Taschen) mittels und zwischen dem stationären Scrollflügel und dem umlaufenden Scrollflügel begrenzt ist. Die stationäre Scrollplatte ist in der Pumpe fixiert. Die umlaufende Scrollplatte und damit der umlaufende Scrollflügel ist an einen exzentrischen Antriebsmechanismus gekoppelt. Die stationäre und umlaufende Scrollplatte und der exzentrische Antriebsmechanismus können das ausmachen, was als ein Pumpenkopf oder eine Pumpenkopf Baugruppe bezeichnet wird.
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Der exzentrische Antriebsmechanismus ist wiederum mit einem Motor der Pumpe verbunden und mittels diesem angetrieben, so dass die umlaufende Scrollplatte um eine Längsachse der Pumpe herum läuft, welche durch einen axialen zentralen Teil des stationären Scrollflügels hindurch verläuft. Das Volumen der Tasche(n), welches mittels der Scrollflügel der Pumpe begrenzt wird, wird variiert, indem der umlaufende Scrollflügel sich relativ zu dem stationären Scrollflügel bewegt. Die umlaufende Bewegung des umlaufenden Scrollflügels veranlasst auch die Tasche(n), sich innerhalb der Pumpenkopf Baugruppe zu bewegen, so dass die Tasche(n) selektiv in offener Verbindung mit einem Einlass und Auslass der Scrollpumpe platziert ist.
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In einem Beispiel einer solchen Scrollpumpe veranlasst die Bewegung des umlaufenden Scrollflügels relativ zu dem stationären Scrollflügel eine Tasche, die abgeschlossen von dem Auslass der Pumpe ist und in offener Verbindung mit dem Einlass der Pumpe steht, zu expandieren. Entsprechend wird Fluid durch den Einlass in die Tasche hinein gezogen. Dann wird die Tasche in eine Position bewegt, in welcher sie von dem Einlass der Pumpe abgeschlossen ist und in offener Verbindung mit dem Auslass der Pumpe steht, und zur selben Zeit wird die Tasche komprimiert. Daher wird das Fluid in der Tasche komprimiert und dabei durch den Auslass der Pumpe hindurch entladen.
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In dem Fall eines Vakuum-Typs einer Scrollpumpe ist der Einlass der Pumpe mit einer Kammer verbunden, welche zu entleeren oder evakuieren ist. Umgekehrt ist, in dem Fall eines Kompressor-Typs der Scrollpumpe, der Auslass der Pumpe mit einer Kammer verbunden, welche mittels der Pumpe mit druckbeaufschlagtem Fluid zu versorgen ist. In jedem Fall erzeugen verschiedene Komponenten der Pumpe signifikante Wärmemengen, welche die Nutzungsdauer der Komponenten reduzieren können, oder schlimmer, einen Betriebsfehler der Pumpe verursachen können.
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Daher werden Scrollpumpen mit einem oder mehr Kühlgebläsen bereitgestellt, um die Pumpe zu kühlen. Allerdings kann das Gebläse (können die Gebläse) eine signifikante Lärmschallquelle sein, was am Arbeitsplatz nachteilig ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Scrollpumpe bereitzustellen, in welcher die Hauptquellen von Wärme in der Pumpe effektiv gekühlt werden können.
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Es ist ein spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Scrollpumpe bereitzustellen, in welcher ein einzelnes und relativ kompaktes Kühlgebläse die gesamte Pumpe effektiv kühlen kann, einschließlich in einem Fall, in dem die Hauptquellen von Wärme in der Pumpe an entgegengesetzten Enden der Pumpe sind.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Scrollpumpe bereitgestellt, welche eine Pumpenkopf Baugruppe, einen Pumpenmotor, ein Kühlgebläse, das einen kühlenden Luftstrom in der Pumpe erzeugt, eine Verkleidung, in welcher die Pumpenkopf Baugruppe, der Pumpenmotor und das Kühlgebläse aufgenommen sind und in einer axialen Richtung der Pumpe nebeneinander gestellt sind, und eine Haube enthält, die innerhalb der Verkleidung angeordnet ist und sich um den Pumpenmotor herum erstreckt. Die Pumpenkopf Baugruppe hat eine stationäre Scrollplatte, welche in der Pumpe fixiert ist, eine umlaufende Scrollplatte, und eine Antriebswelle, welche den Pumpenmotor an die umlaufende Scrollplatte koppelt. Der Pumpenmotor ist an die umlaufende Scrollplatte gekoppelt, um die umlaufende Scrollplatte anzutreiben.
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Die Verkleidung hat in der axialen Richtung der Pumpe entgegengesetzte Enden. Die Enden der Verkleidung definieren jeweils einen Lufteinlass und einen Luftauslass. Die Haube erstreckt sich um den Pumpenmotor so radial davon beabstandet herum, dass mittels der Haube zwischen dem Pumpenmotor und der Haube innerhalb der Verkleidung ein Tunnel definiert wird, der sich längs in der axialen Richtung der Pumpe erstreckt. Der Tunnel ist offen zu dem Lufteinlass und dem Luftauslass und verbindet den Lufteinlass und den Luftauslass, und das Kühlgebläse ist in der Pumpe angeordnet, so dass der kühlende Luftstrom, welcher mittels des Kühlgebläses erzeugt wird, via bzw. durch oder über den Tunnel von dem Lufteinlass zu dem Luftauslass strömt, um den Pumpenmotor zu kühlen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen davon besser verstanden, die mit Bezug auf die beigefügten Figuren folgt, in welchen:
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1 eine schematische Längsschnittansicht einer vereinfachten Version einer Scrollpume gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine schematische vergrößerte Längsschnittansicht von Teilen des stationären und umlaufenden Scrollflügels der Scrollpumpe ist;
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3 eine schematische Querschnittsansicht eines Kühlgebläses der Scrollpumpe ist, welche in der Richtung der Linie III-III' in 1 genommen ist;
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4 eine schematische Querschnittsansicht eines Pumpenmotors und einer Haube der Scrollpumpe ist, welche in der Richtung der Linie IV-IV' in 1 genommen ist;
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5 eine Querschnittsansicht ist, welche der von 4 ähnlich ist, aber von einer Scrollpumpe, die eine andere Form der Haube hat, die den Pumpenmotor umgibt.
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6 eine schematische Längsschnitt Ansicht eines Teils einer anderen Ausführungsform einer Scrollpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist, welche eine Haube des Typs aufweist, der in 5 gezeigt ist;
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7 ein Blockdiagramm der Scrollpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
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8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens des Wärmemanagements einer Scrollpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Verschiedene Ausführungsformen und Beispiele von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren ausführlicher beschrieben. In den Figuren können die Größen und die relativen Größen von Elementen für die Klarheit übertrieben sein. Gleichermaßen können für die Klarheit und die Erleichterung des Verständnisses die Formen von Elementen übertrieben und/oder vereinfacht sein. Zudem werden gleiche Ziffern und Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente in den Figuren durchgehend zu kennzeichnen.
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Ferner werden räumlich relative Begriffe wie "vorne" und "hinten" verwendet, um die Beziehung von einem Element zu einem anderen Element (anderen Elementen) zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Daher können die räumlich relativen Begriffe für Ausrichtungen in der Verwendung gelten, welche sich von der Ausrichtung unterscheidet, die in den Figuren wiedergegeben ist. Obwohl sich alle diese räumlich relativen Begriffe offensichtlich auf die Ausrichtung beziehen, die zur Erleichterung der Beschreibung in den Figuren gezeigt ist, sind sie nicht zwangsläufig einschränkend, da eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wenn sie in Verwendung ist, Ausrichtungen annehmen kann, die verschieden zu denen sind, die in den Figuren dargestellt sind.
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Eine andere Terminologie, welche hier für den Zweck des Beschreibens von bestimmten Beispielen oder Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts verwendet wird, ist im Kontext zu betrachten. Beispielsweise deuten die Begriffe "weist auf" oder "aufweisend", wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, die Gegenwart der genannten Merkmale oder Prozesse an, aber schließen nicht die Anwesenheit von zusätzlichen Merkmalen oder Prozessen aus. Der Begriff "Pumpe" kann sich auf eine Vorrichtung beziehen, die den Druck eines Fluids etc. antreibt, erhöht oder verringert. Der Begriff "fixiert" kann verwendet sein, um eine direkte Verbindung von zwei Teilen zueinander zu beschreiben, so dass sich die Teile relativ zueinander nicht bewegen können oder eine Verbindung der Teile durch den Vermittler aus einem oder mehr zusätzlichen Teilen zu beschreiben, so dass sich die Teile relativ zueinander nicht bewegen können.
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Nun Bezug nehmend auf 1, enthält eine Scrollpumpe 1, an welcher die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann, eine Verkleidung 100 und eine Pumpenkopf Baugruppe 200, einen Pumpenmotor 300 und ein Kühlgebläse 400, das in der Verkleidung 100 aufgenommen ist. Namentlich sind die Pumpenkopf Baugruppe 200, der Pumpenmotor 300, der ein elektrischer Motor, ein Luftmotor oder ein anderer geeigneter Motortyp sein kann, und das Kühlgebläse 400 entlang einer Längsachse L der Pumpe 1 nebeneinander gestellt, d.h. in einer axialen Richtung der Pumpe 1. Ferner hat die Verkleidung 100 in der axialen Richtung entgegengesetzte Enden. Die Enden der Verkleidung 1 definieren jeweils einen Lufteinlass 100A und einen Luftauslass 100B. Der Luftauslass B kann die Form eines Gitters (grill) haben.
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Die Pumpenkopf Baugruppe 200 enthält einen Rahmen 210, eine stationäre Scrollplatte 220, eine umlaufende Scrollplatte 230, einen exzentrischen Antriebsmechanismus 240, einen ringförmigen metallischen Federbalg 250 und Befestigunsmittel (nicht gezeigt), welche die stationäre Scrollplatte 220 an den Rahmen 210 fixieren und den metallischen Federbalg 250 sowohl an den Rahmen 210 als auch an die umlaufende Scrollplatte 230 fixieren.
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Ferner und mit Bezug auf 1 und 2 hat die stationäre Scrollplatte 220 eine Vorderseite 220F und eine Rückseite 220B und weist einen stationären Scrollflügel 221 an ihrer Vorderseite 220F auf. Die umlaufende Scrollplatte 230 hat eine Vorderseite 230F und eine Rückseite 230B und weist einen umlaufenden Scrollflügel 231 an ihrer Vorderseite 230F auf. Der stationäre Scrollflügel 221 und der umlaufende Scrollflügel 231 sind mit einem Spiel und einer vorbestimmten relativen Winkelpositionierung verschachtelt, so dass eine Tasche P oder Taschen mittels und zwischen dem stationären Scrollflügel und dem umlaufenden Scrollflügel begrenzt ist/sind. In dieser Beziehung müssen sich seitliche Oberflächen der Scrollflügel 221 und 231 nicht berühren, um die Tasche(n) zu verschließen. Stattdessen können winzige Spiele zwischen den seitlichen Oberflächen der Scrollflügel 221 und 231 eine Dichtung erzeugen, welche ausreichend zum Bilden einer zufriedenstellenden Tasche(n) ist.
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Andererseits ist in diesem Beispiel eine Spitzendichtung 260 zwischen und in Berührung mit einem axialen (Spitze) Ende des umlaufenden Scrollflügels 231 und der Platte der stationären Scrollplatte 220 angeordnet, an der Vorderseite 220F der stationären Scrollplatte 220, um eine erste axiale Dichtung zu erzeugen, welche die Tasche(n) zwischen dem stationären und umlaufenden Scrollplattenflügel 221 und 231 erhält. Eine zweite Spitzendichtung 260 ist zwischen und in Berührung mit einem axialen (Spitze) Ende des fixierten Scrollflügels 221 und der Platte der umlaufenden Scrollplatte 230 angeordnet, an der Vorderseite 230F der umlaufenden Scrollplatte 230, um eine zweite axiale Dichtung zu erzeugen, welche die Tasche(n) zwischen dem stationären und umlaufenden Scrollplattenflügel 221 und 231 erhält. Jede Spitzendichtung 260 ist ein Kunststoff Element, das in einer spiralförmigen Nut in der Spitze des Scrollflügels liegt, d.h. einer Nut, welche sich entlang der Länge des Scrollflügels in der Spitze davon erstreckt.
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Der exzentrische Antriebsmechanismus 240 enthält eine Antriebswelle und Lager 246. In diesem Beispiel ist die Antriebswelle 241 eine Kurbelwelle, die einen Hauptteil 242, der an den Motor 300 gekoppelt ist, um mittels des Motors um eine Längsachse L der Pumpe 1 rotiert zu werden, und eine Kurbel 243 hat, deren zentrale Längsachse in einer radialen Richtung von der Längsachse verschoben ist. Die Lager 246 weisen eine Mehrzahl von Sätzen von rollenden Elementen auf.
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In diesem Beispiel ist auch der Hauptteil 242 der Kurbelwelle mittels des Rahmens 210 mittels oder durch oder via einen oder mehr Sätzen von Lagern 246 gestützt, um relativ zu dem Rahmen 210 rotierbar zu sein. Die umlaufende Scrollplatte 230 ist an die Kurbel 243 via einen anderen Satz oder Sätzen von Lagern 246 montiert. Daher wird die umlaufende Scrollplatte 230 mittels der Kurbel 243 getragen, um um die Längsachse der Pumpe herum zu laufen, wenn die Hauptwelle 242 mittels des Motors 300 rotiert wird, und die umlaufende Scrollplatte 230 wird mittels der Kurbel gestützt, um rotierbar um die zentrale Längsachse der Kurbel 243 zu sein.
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Der metallische Federbalg 250 hat ein erstes Ende, an welchem der Federbalg 250 an die Rückseite 230B der umlaufenden Scrollplatte 230 fixiert ist, und ein zweites Ende, an welchem der Federbalg 250 an den Rahmen 210 fixiert ist. In dieser Beziehung ist der metallische Federbalg 250 radial flexibel genug, um dem ersten Ende davon zu ermöglichen, der umlaufenden Scrollplatte 230 zu folgen, während das zweite Ende des Federbalgs an dem Rahmen 210 fixiert bleibt. Andererseits hat der metallische Federbalg 250 eine Torsionssteifigkeit, die das erste Ende des Federbalgs daran hindert, signifikant um die zentrale Längsachse des Federbalgs zu rotieren, d.h. signifikant in seine Umfangsrichtung zu rotieren, während das zweite Ende des Federbalgs an den Rahmen 210 fixiert bleibt.
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Der metallische Federbalg 250 kann im Wesentlichen das einzige Mittel zum Bereitstellen der Winkelsynchronisation des stationären Scrollflügels 221 und des umlaufenden Scrollflügels 231 während dem Betrieb der Pumpe 1 sein. Ferner erstreckt sich der metallische Federbalg 250 nicht nur zwischen dem Rahmen 210 und der Rückseite 230B der umlaufenden Scrollplatte 230, sondern der metallische Federbalg 250 erstreckt sich auch um einen Teil der Kurbelwelle 243 und um die Lager 246 des exzentrischen Antriebsmechanismus 240 herum. Auf diese Weise kann der Federbalg 250 auch die Lager 246 und die Lageroberflächen von einem Raum verschließen, der zwischen dem Federbalg 250 und dem Rahmen 210 in der radialen Richtung definiert ist, und welcher Raum die Arbeitskammer C darstellen kann, z.B. eine Vakuumkammer der Pumpe, durch welche Fluid verläuft, welches mittels der Pumpe bearbeitet wird. Entsprechend kann ein Schmiermittel, welches von den Lagern 246 eingesetzt wird, und/oder können Partikel, welche mittels der Lageroberflächen erzeugt werden, mittels des Federbalgs 250 daran gehindert werden, in die Kammer C hinein zu gelangen.
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Das Kühlgebläse 400 wird als Teil eines Wärmemanagement Systems bereitgestellt, um Wärmequellen der Pumpe zu kühlen. Diese Wärmequellen enthalten den Pumpenmotor 300 und die Pumpenkopf Baugruppe 200, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Zudem sind die Pegel von Lärmschall und Vibration von dem Wärmemanagement System abhängig, da das Kühlgebläse die vorherrschende Quelle von Lärmschall sein kann. In dieser Beziehung ist der Lärmschall eines Kühlgebläses eine feste Funktion der Spitzengeschwindigkeit der Gebläseflügel, welche direkt proportional zu der Geschwindigkeit ist, mit welcher das Gebläse betrieben wird, und zu den Dimensionen des Gebläses ist, so wie der Durchmesser des rotierenden Teils des Gebläses.
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Eine Scrollpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist gestaltet, um in einer Beziehung den Lärmschall zu minimieren, indem sichergestellt wird, dass nur ein relativ kompaktes Kühlgebläse alle der signifikanten Wärmequellen in der Pumpe kühlen kann. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 1 enthält die Pumpe auch eine Haube 120, welche innerhalb der Verkleidung 100 angeordnet ist. Die Haube 120 erstreckt sich um den Pumpenmotor 300 so radial davon beabstandet herum, dass zwischen der äußeren peripheren Oberfläche des Gehäuses des Pumpenmotors 300 bzw. dem Pumpenmotor 300 und (einer inneren peripheren Oberfläche von) der Haube 120 innerhalb der Verkleidung 100 ein Tunnel T definiert ist, welcher sich längs in der axialen Richtung der Pumpe erstreckt.
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Der Tunnel T ist offen zu dem Lufteinlass 100A und dem Luftauslass 100B und verbindet den Lufteinlass 100A und den Luftauslass 100B, und das Kühlgebläse 400 ist in der Pumpe so angeordnet, dass der kühlende Luftstrom, der mittels des Kühlgebläses erzeugt wird, von dem Lufteinlass 100A zu dem Luftauslass 100B via den Tunnel T strömt, wie mittels der Pfeile AF gezeigt ist, um die Wärmequellen in der Pumpe zu kühlen.
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In dieser Beziehung ist das Kühlgebläse 400 ein Mehrfach-Geschwindigkeits- oder ein veränderliche-Geschwindigkeits-Gebläse, welches in Bezug auf die Richtung des kühlenden Luftstroms, welcher mittels des Gebläses erzeugt wird, stromaufwärts der Pumpenkopf Baugruppe 200 in der Pumpe angeordnet ist, und der Kanal 100C durchquert die Pumpenkopf Baugruppe 200. Daher kühlt der kühlende Luftstrom AF die Pumpenkopf 200 Baugruppe, welche die primäre Wärmequelle in der Pumpe 1 ist. Auch das Kühlgebläse 400 ist in Bezug auf die Richtung des kühlenden Luftstroms, der mittels des Gebläses erzeugt wird, stromaufwärts des Pumpenmotors 300 in der Pumpe angeordnet, und der Tunnel T durchquert den Pumpenmotor 300. Daher kühlt der kühlende Luftstrom AF auch den Motor, welcher die Quelle der zweitgrößten Wärmemenge in der Pumpe 1 ist.
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In der Ausführungsform in 1 definiert die Verkleidung 100 zumindest einen Kanal 100C darin, der den kühlenden Luftstrom AF in die Richtung von dem Lufteinlass 100A hin zu dem Luftauslass 100B leitet, wobei ein erstes axiales Ende des Tunnels T offen zu dem Kanal 100C und angrenzend an den Kanal 100C ist, wobei das andere axiale Ende des Tunnels T näher an dem Luftauslass 100B angeordnet ist als das erste axiale Ende, und wobei die Hülle 120 ein fester ringförmiger Körper ist und integriert mit der Verkleidung 100 ist, so dass der Kanal 100C nur via oder über das erste axiale Ende des Tunnels T in den Tunnel T hinein führt.
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Vorzugsweise ist in dieser Ausführungsform die Luftstromfläche des Gebläses 400 im Wesentlichen dieselbe wie die des Tunnels T. Die Luftstromfläche ist die Fläche des Luftstroms in einem Querschnitt, der senkrecht zu der Stromrichtung ist. Die Luftstromfläche des Gebläses 400 ist die Querschnittsfläche des kühlenden Luftstroms an der Position, wo der kühlende Luftstrom das Gebläse 400 verlässt. Spezifischer und mit Bezug auf 3 hat das Kühlgebläse 400 eine Nabe 400A, Gebläseflügel 400B, welche von der Nabe strahlförmig wegfürhren (radiate), ein Gehäuse 400C, das eine innere Oberfläche hat, welche die Spitzen der Gebläseflügel 400B umgibt, und ein veränderliche-Geschwindigkeits-Gebläsemotor (in der Figur nicht gezeigt), welcher mit der Nabe 400A verbunden ist.
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Nun Bezug nehmend auf 3 und 4, ist die Querschnittsfläche des Raums, welcher mittels und zwischen der inneren peripheren Oberfläche des Gebläsegehäuses 400C und dem äußeren peripheren Raum der Gebläsenabe 400A an dem stromabwärtigen Ende des Gebläsegehäuses 400C definiert ist, bevorzugterweise im Wesentlichen dieselbe wie die maximale Querschnittsfläche des Tunnels T, nämlich des Raums, welcher mittels und zwischen der inneren peripheren Oberfläche der Hülle 120 und der äußeren peripheren Oberfläche des Pumpenmotors 300. Es ist zu beachten, dass in dieser Beziehung die innere und äußere periphere Oberfläche der Hülle 120 und des Pumpenmotors 300 im Wesentlichen zylindrisch sein können, so dass die Querschnittsfläche des Tunnels T im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Tunnels T einförmig sein kann.
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Allerdings kann die Luftstromfläche des Tunnels T größer oder geringer sein als die des Gebläses 400, um das Kühlen des Pumpenmotors 300 zu optimieren. Für eine vorgegebene Ausgabe des Gebläses 400 wird das Luftvolumen größer, das pro Zeiteinheit durch den Tunnel T verschoben wird, umso größer die Luftstromfläche des Tunnels T wird, aber umso geringer wird der Wärmetransferkoeffizient an der Grenze zwischen dem Pumpenmotor 300 und dem Luftstrom. Vorzugsweise ist die Luftstromfläche des Tunnels T innerhalb eines Bereichs von 50% bis 200% der Luftstromfläche des Gebläses 400.
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5 zeigt eine alternative Form der Haube 120'. Bezug nehmend auf 1 und 5, ist die Haube 120' ein ringförmiger Körper, der Perforationen 121 hat, die sich radial hindurch erstrecken, und die Perforationen sind offen zu dem Kanal 100C, so dass der kühlende Luftstrom AF, der mittels des Gebläses 400 erzeugt wird, durch die Perforationen 121 strömt und Luftstrahlen (jets of air) bilden, die auf (dem Gehäuse des Pumpenmotors) dem Pumpenmotor 300 auftreffen, bevor sie zu dem Luftauslass 100B strömen. Das Kühlen eines Objekts auf diese Weise, d.h. mittels eines Lenkens von Luftstrahlen, die auf der Oberfläche des Objekts auftreffen, stellt ein per se bekanntes Kühlverfahren bereit, da es einen der höchsten Wärmetransferkoeffizienten H bereitstellt. Daher ist die perforierte Hülle 120' aus 5 sehr effektiv beim Erleichtern des Kühlens des Pumpenmotors 300.
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Eine andere Ausführungsform der Scrollpumpe 1' ist in 6 gezeigt. Diese Ausführungsform setzt die perforierte Hülle 120' ein und ist ansonsten ähnlich zu der aus 1, außer dass beide axialen Enden der Hülle 120' in Beziehung zu dem Kanal 120C verschlossen sind. Daher kann der kühlende Luftstrom AF, welcher mittels des Gebläses 400 erzeugt wird, nur durch die Perforationen in der Hülle 120 hindurch in den Tunnel T hinein strömen.
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Eine Scrollpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist gestaltet, um den Lärmschall in einer anderen Beziehung zu minimieren, indem sichergestellt wird, dass das Kühlgebläse mit der geringsten Geschwindigkeit angetrieben wird, welche nötig ist, um die Wärmequellen der Pumpe bzw. die Pumpe effektiv zu kühlen. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben.
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Bezug nehmend auf 7, wird die Scrollpumpe 1 auch mit einem elektronischen Steuersystem bereitgestellt, das den Betrieb der Pumpe steuert. Das elektronische Steuersystem enthält eine Platine 600, die den Pumpenmotor 300 steuert. Die Steuerung des Pumpenmotors 300 kann sich auf einen Vorgang eines Startens des Motors 300 beziehen. In dem Fall, in welchem der Pumpenmotor 300 ein Inverter-gesteuerter Motor ist, kann die Platine 600 eine Inverterplatte sein, die eine Schaltung oder eine Verschaltungstechnik hat, welche die AC oder DC Spannung, die mittels der Leistungsquelle für den Pumpenmotor 300 bereitgestellt ist, in eine veränderliche Frequenz invertiert, um die Pumpe über einen Bereich von Geschwindigkeiten zu betreiben. Eine solche Inverterplatte ist auch eine signifikante Wärmequelle in der Pumpe 1. Die Platine 600 kann in einem Ausschnitt (cut-out) in der Hülle 120' aufgenommen sein, um dem Tunnel T ausgesetzt zu sein.
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Zusätzlich zu der Platine 600 oder als eine Alternative, können andere elektronische Komponenten des elektronischen Steuersystems, welche Wärmequellen in der Pumpe 1 sind, dem zumindest einen Kanal 120C ausgesetzt sein, welcher mittels der Verkleidung 100 definiert ist, so dass der kühlende Luftstrom, der mittels des Gebläses 400 erzeugt wird, über die elektronischen Komponenten verläuft und dabei die Komponenten kühlt, bevor er in den Tunnel T hinein verläuft. Deshalb verläuft der kühlende Luftstrom AF über die Platine 600 und kühlt diese, bevor er durch den Luftauslass 130 heraus strömt.
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Beispielsweise kann eine Platine 600 an die Basis der Pumpe unterhalb der Pumpenkopf Baugruppe 200 montiert sein, und die Verkleidung 100 kann eine getrennte Öffnung 130 hindurch haben (1), die einen Teil des kühlenden Luftstroms AF veranlasst, über die Platine 600 zu verlaufen. Daher wird diese Platine 600 mittels des Luftstroms AF gekühlt, bevor der Luftstrom in den Tunnel T hinein verläuft oder anderenfalls durch den zweiten Luftauslass 130 aus der Pumpe heraus verläuft.
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Nun Bezug nehmend auf 7 hat eine Scrollpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung auch zumindest einen Sensor, der eine entsprechende Last auf die Pumpe überwacht. Vorzugsweise enthält der zumindest eine Sensor einen Temperatursensor S1, der wirkend mit einer Wicklung (winding) des Pumpenmotors 300 verknüpft ist (in dem Fall, dass der Pumpenmotor ein elektrischer Motor ist), um eine Temperatur der Wicklung abzutasten. In dem oben genannten Fall, in welchem der Pumpenmotor 300 ein Invertergesteuerter Motor ist, enthält der zumindest eine Sensor auch einen Temperatursensor S2, der wirkend mit der Platine 600 (z.B. der Inverterplatte oder einer Motorstartplatte) des Steuersystems verknüpft ist, um eine Temperatur davon abzutasten.
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Der zumindest eine Temperatursensor kann auch einen Temperatursensor S3, der mit der Pumpenkopf Baugruppe 200 verknüpft ist, um eine Temperatur davon abzutasten, einen Sensor S4, der wirkend mit dem Pumpenmotor 300 verknüpft ist, um eine Leistung abzutasten, welche mittels des Pumpenmotors 300 bezogen wird, und/oder einen Temperatursensor S5 enthalten, der eine Temperatur einer Umgebung der Pumpe abtastet. Jeder bekannte Typ eines geeigneten Temperatur- und Leistungsbezugssensors kann per se verwendet werden.
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Zusätzlich zu der Platine 600 hat das elektronische Steuersystem auch eine elektronische Steuereinrichtung 1000. Die Steuereinrichtung 1000 ist wirkend mit dem Sensor(en) S1, S2, S3, S4 und/oder S5 verbunden und mit dem veränderliche-Geschwindigkeits-Motor 400D des Mehrfach-Geschwindigkeits-Kühlgebläses 400. Die elektronische Steuereinrichtung 1000 empfängt Signale von dem Sensor(en) S1, S2, S3, S4 und/oder S5, welche indikativ für die Last(en) auf die Pumpe sind, und hat einen Prozessor, der die Signale verarbeitet, um die Wärmelast auf die Pumpe zu bestimmen, und gibt basierend auf der Wärmelast einen Befehl an den Gebläsemotor 400D aus, um das Gebläse 400 mit der geringsten Geschwindigkeit anzutreiben, die notwendig ist, um die Pumpe ausreichend zu kühlen.
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Dennoch kann eine Situation auftreten, dass eine Spitzendichtung 260 (zurückverweisend auf 2) erstmalig installiert oder ersetzt werden muss, wie es manchmal notwendig ist. Die neue Spitzendichtung 260 erzeugt eine relativ große Menge von Reibung mit der Platte der gegenüberliegenden Scrollplatte, bis die Spitzendichtung um eine bestimmte Menge abgetragen ist. Daher erzeugt die neue Spitzendichtung eine relativ große Wärmemenge. Es ist zu beachten, dass es im Allgemeinen üblich ist, dass ein dedizierter Spitzendichtungs-Glättbetrieb (burnishing operation) ausgeführt wird, in welchem die Pumpe für einige Zeit betrieben wird, ohne tatsächlich verwendet zu werden, um eine neu installierte Spitzendichtung einzutragen.
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Ein Verfahren zum Steuern der Geschwindigkeit des Kühlgebläses 400 zu der optimalen Geschwindigkeit, welche notwendig ist, um die Pumpe ausreichend zu kühlen, um die Pumpe davor zu bewahren, beschädigt zu werden, d.h. um den Motor oder elektronische Komponenten vor einem Überhitzen zu bewahren, oder um zu verhindern, dass die Nutzungsdauer der Teile der Pumpe verkürzt wird, wird nun mit Bezug auf die 7 und 8 beschrieben.
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Zuerst (Schritt 10 in 8) wird mittels des zumindest einen Sensors (S1, S2 ... und/oder S5) des elektronischen Steuersystems zumindest eine Last auf die Scrollpumpe überwacht.
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Die Last(en), welche überwacht wird bzw. werden, wird bzw. werden mittels der Steuereinrichtung 1000 analysiert (Schritt 20). Die Steuereinrichtung 1000 ist mit einem Algorithmus konfiguriert, mittels welchem Situationen, die zu anormalen Betriebstemperaturen oder Motorleistungsbezug führen, einschließlich einem Zustand der Pumpe, in welchem soeben eine neue Spitzendichtung installiert wurde, in Echtzeit unterschieden werden können. Das heißt, ein Zustand der Pumpe, in welchem soeben eine neue Spitzendichtung installiert wurde, kann von einem Betriebszustand (Betriebszuständen) der Pumpe unterschieden werden, in welchem die Spitzendichtung bereits um eine vorgegebene Menge abgetragen wurde und daher nicht so viel Reibung erzeugt.
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Tatsächlich ist in der vorliegenden Ausführungsform die Steuereinrichtung 1000 mit einem Algorithmus konfiguriert, mittels welchem die folgenden drei möglichen Zustände der Pumpe basierend auf der Analyse der Last(en) auf die Pumpe voneinander unterschieden werden können:
- Zustand 1: Die Pumpe wird bei normalen Temperaturen und Leistungspegeln betrieben;
- Zustand 2: Die Pumpe wird in einem Umfeld betrieben, in welchem die Umgebungstemperatur hoch ist, oder in welchem die Last auf die Pumpe hoch ist, welche mittels des Fluids erzeugt wird, das von der Pumpe bearbeitet wird; und
- Zustand 3: Der Spitzendichtungs-Glättbetrieb findet statt.
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Zustand 1 erfordert eine mittlere Gebläsegeschwindigkeit, um den Lärmschall zu minimieren. Zustand 2 erfordert eine maximale Gebläsegeschwindigkeit, um die Pumpe und die Komponenten angemessen zu kühlen. Zustand 3 erfordert eine geringe bis mittlere Gebläsegeschwindigkeit, um den Pumpenmotor Leistungsbezug zu minimieren.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 7 und 8, wird das Kühlgebläse 400 mittels der Steuereinrichtung 1000 gesteuert, um mit einer ersten Geschwindigkeit oder Geschwindigkeiten innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu laufen (Schritt 40), solange die Analyse (Schritt 20) anzeigt, dass die Last(en) auf die Pumpe innerhalb eines normalen Bereichs ist bzw. sind und die abgetastete Temperatur(en) normal ist bzw. sind, d.h. die Pumpe in Zustand 1 ist. Diese mittlere (erste) Geschwindigkeit oder Bereich von Geschwindigkeiten ist bzw. sind aussgewählt, um den Gebläselärmschall zu minimieren, während dennoch eine ausreichende Kühlung bereitgestellt wird.
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Wenn die Pumpe außerhalb eines normalen Bereich (NEIN in Schritt 30) betrieben wird, wird die Gebläsegeschwindigkeit gemäß einem Programm geändert (Schritt S50) und die Last(en) auf die Pumpe wird bzw. werden analysiert, während das Gebläse 400 mit der neuen Geschwindigkeit angetrieben wird. Die Weise, auf welche die Last(en) sich als Ergebnis des Änderns der Gebläsegeschwindigkeit ändert bzw. ändern, ermöglicht es der Steuereinrichtung 1000, zu bestimmen, ob ein Spitzendichtungs-Glättbetrieb durchgeführt wird.
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Grundsätzlich wird das Kühlgebläse 400 mittels der Steuereinrichtung 1000 gesteuert, um mit einer maximalen (zweiten) Geschwindigkeit oder Geschwindigkeiten (Schritt 70) zu laufen, um die maximale Menge von kühlender Luft und den größten Wärmetransferkoeffizienten bereitzustellen, wenn die Analyse (Schritt 50) bestimmt, dass die Pumpe in Zustand 2 ist. Andererseits, wird das Kühlgebläse 400 mittels der Steuereinrichtung 1000 gesteuert, um mit einer optimalen Geschwindigkeit zu laufen (Schritt 80) zum Glätten einer neuen Spitzendichtung, wenn die Pumpe außerhalb eines normalen Bereichs ist und die Steuereinrichtung 1000 bestimmt, dass dies aufgrund eines Spitzendichtungs-Glättbetriebs ist, der ausgeführt wird. Diese optimale Geschwindigkeit (die erzeugt wird, wenn das Verfahren zu Schritt 80 fortschreitet) ist im Allgemeinen geringer als die erste Geschwindigkeit(en) (die erzeugt wird, wenn das Verfahren zu Schritt 40 fortschreitet).
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Die optimale Geschwindigkeit des Gebläses 400 zum Glätten einer neuen Spitzendichtung ist die Gebläsegeschwindigkeit, welche den Leistungsbezug der Pumpe in einen normalen Bereich bringt und damit die Wärmeerzeugung des Motors 300 und des Pumpenkopfs 200 signifikant reduziert. Wenn eine neue Spitzendichtung geglättet wird, reduziert das Betreiben des Gebläses 400 mit einer geringeren Geschwindigkeit das thermisch induzierte Drücken (crush) auf die Spitzendichtung und damit die reibungsinduzierte Wärmeerzeugung. In anderen Worten führt eine geringere Gebläsegeschwindigkeit tatsächlich zu geringeren Betriebstemperaturen, wenn eine neue Spitzendichtung geglättet wird, was kontra-intuitiv (counter intuitive) ist, da man denken würde, dass eine höhere Gebläsegeschwindigkeit zu geringeren Betriebstemperaturen führen würde.
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Der Grund dafür ist wie folgt: Obwohl eine größere Wärmemenge mittels der Reibung zwischen einer neuen Spitzendichtung 260 und der Platte erzeugt wird, gegen welche sie gepresst wird, als mittels der Reibung zwischen einer eingetragenen Spitzendichtung und derselben Platte, haben die Erfinder entdeckt, dass das Gebläse 400 die Rückseite 400B der stationären Scrollplatte 220 und eine äußere Wand des Rahmens 210 relativ kühl hält, wohingegen die Wärme hauptsächlich an der Vorderseite 220F der stationären Scrollplatte 220 und der Vorderseite 230F der umlaufenden Scrollplatte 230 erzeugt wird. Dies führt zu einer thermischen Expansion eines inneren Vorsprungs (boss) des Rahmens 210, welcher sich um den exzentrischen Antriebsmechanismus 240 herum erstreckt. Die thermische Expansion führt wiederum dazu, dass die Vorderseite 220F der stationären Scrollplatte 220 näher an die umlaufende Scrollplatte 230 gebracht wird. Folglich wird das Spiel, das mittels der Spitzendichtung 260 bereitgestellt wird, reduziert und daher wird eine größere Reibungsmenge und damit mehr Wärme erzeugt. Das Erhöhen der Geschwindigkeit des Gebläses 400 zu diesem Zeitpunkt würde das Phänomen nur verschlimmern.
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Daher erkennt die Steuereinrichtung 1000 durch ihre Konfiguration diese Situation und verringert die Geschwindigkeit des Kühlgebläses 400 zu einer optimalen Geschwindigkeit, um die Motorleistung in einen normalen Bereich zu bringen, während es weiterhin einen akzeptablen Luftstrompegel bereitstellt.
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Letztlich wurden vorangehend Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts und Beispiele davon ausführlich beschrieben. Das erfindungsgemäße Konzept kann allerdings in vielen verschiedenen Formen verkörpert sein und sollte nicht als einschränkend auf die oben genannten Ausführungsformen interpretiert werden. Vielmehr wurden diese Ausführungsformen so beschrieben, dass diese Offenbarung genau und vollständig ist und dem Fachmann das erfindungsgemäße Konzept voll vermittelt. Dadurch ist der wahre Sinn und der Geltungsbereich des erfindungsgemäßen Konzepts nicht auf die Ausführungsformen und oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern auf die folgenden Ansprüche.
