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Die Erfindung betrifft eine Unterdruckerzeugungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Unterdruckerzeugungsvorrichtungen sind z.B. zum Erzeugen von Unterdruck für Unterdruck-Handhabungsanlagen in verschiedenen Ausführungen bekannt. Beispielsweise kann der Unterdruck durch druckluftbetriebene Ejektoren erzeugt werden. Insbesondere in größeren Anlagen kann dies vorteilhaft sein, da sich Druckluft gut in Verteilersystemen bereitstellen lässt. Eine Erweiterung oder Umkonfiguration einer solchen Anlage erfordert jedoch aufwändige Arbeiten an den pneumatischen Verteilersystemen.
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Insbesondere für modular und flexibel erweiterbare Anlagen sind elektrische Unterdruckerzeugungsvorrichtungen vorteilhaft. Die notwendigen elektrischen Anschlüsse sind vergleichsweise einfach herzustellen. Als elektrische Unterdruckerzeuger kommen beispielsweise Gebläse zum Einsatz, mit denen sich hohe Volumenströme erzielen lassen, aber nur vergleichsweise geringer Unterdruck. Zudem sind solche Gebläse vergleichsweise laut und benötigen einen vergleichsweise großen Bauraum.
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Außerdem sind Turboverdichter mit einem in einem Verdichterraum drehbar gelagerten Impeller zum Ansaugen und Verdichten von Luft bekannt. Der Impeller weist eine Aktivseite und eine Rückseite auf und saugt bei Rotation an seiner Aktivseite Luft von einer Ansaugseite des Turboverdichters an und verdichtet diese. An der Ansaugseite wird folglich ein Unterdruck erzeugt. Diese Ansaugseite kann bei Verwendung in einer Unterdruck-Handhabungsanlage beispielsweise mit einem Sauganschluss eines Sauggreifers verbunden sein. Solche Turboverdichter sind mit kleinem Platzbedarf realisierbar, da der Impeller sehr schnell rotiert und somit die angesaugte Luft stark beschleunigt. Im Betrieb wird bei derartigen Turboverdichtern allerdings auf der Aktivseite des Impellers ein Unterdruck im Vergleich zu der Rückseite erzeugt. Diese Druckdifferenz führt zu einer Kraftwirkung auf den Impeller in Axialrichtung von der Rückseite zur Aktivseite, dem sog. Axialschub. Dieser Axialschub muss von einem Lager des Impellers aufgenommen werden, was zu einer erhöhten Lagerbelastung und somit regelmäßig zu einer reduzierten Lebensdauer des Turboverdichters führt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, eine robust arbeitende Unterdruckerzeugungsvorrichtung bereitzustellen, welche eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist und lange Lebensdauer bei geringen Kosten aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Unterdruckerzeugungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unterdruckerzeugungsvorrichtung weist eine Verdichtereinrichtung zum Ansaugen und Verdichten von gasförmigen Fluiden, insbesondere Luft, auf. Die Verdichtereinrichtung umfasst ein Verdichtergehäuse mit einem ersten Verdichterraum. Der erste Verdichterraum weist eine erste Ansaugseite zum Ansaugen des Fluids auf. Insbesondere ist die erste Ansaugseite als Ansaugöffnung ausgebildet. Bei Verwendung in einer Unterdruck-Handhabungsanlage dient die Ansaugseite z.B. dazu, mit einem Sauggreifer zum Ansaugen und Handhaben von Gegenständen verbunden zu werden. Der erste Verdichterraum weist ferner eine erste Auslassseite zum Ausgeben des abgesaugten und verdichteten Fluids auf. Insbesondere ist die erste Auslassseite als Auslassöffnung ausgebildet.
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Zum Ansaugen und Verdichten des Fluid umfasst die Verdichtereinrichtung einen in dem ersten Verdichterraum um eine Drehachse drehbar gelagerten Impeller. Der Impeller weist eine Aktivseite und eine Rückseite auf. Mit Aktivseite ist diejenige Seite des Impellers gemeint, welche im Betrieb von Ansaugluft angeströmt wird. Vorzugsweise ist die Aktivseite als Schaufelseite mit einer Mehrzahl von Verdichterschaufeln ausgebildet.
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Das Verdichtergehäuse weist ferner einen zweiten Verdichterraum auf, wobei der zweite Verdichterraum eine zweite Ansaugseite und eine zweite Auslassseite aufweist. Die zweite Ansaugseite ist insbesondere als Ansaugöffnung in dem Verdichtergehäuse ausgebildet und die zweite Auslassseite ist insbesondere als Auslassöffnung in dem Verdichtergehäuse ausgebildet.
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Die Verdichtereinrichtung umfasst ferner einen Gegenimpeller mit ebenfalls einer Aktivseite und einer Rückseite. Der Gegenimpeller ist in dem zweiten Verdichterraum ebenfalls um eine Drehachse drehbar gelagert.
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Der Impeller und der Gegenimpeller sind mittels eines Kopplungsbauteils axial kraftgekoppelt, also derart miteinander wirkverbunden, dass entlang der Drehachse wirkende Axialkräfte zwischen Impeller und Gegenimpeller übertragen werden. Bei dem Kupplungsbauteil kann es sich wie nachstehend noch näher erläutert beispielsweise um eine Welle und/oder ein Getriebe handeln.
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Der Impeller und der Gegenimpeller sind derart angeordnet, dass die Aktivseite des Impellers und die Aktivseite des Gegenimpellers einander zugewandt oder voneinander abgewandt sind. Insofern wirken Impeller und Gegenimpeller bezüglich der axialen Richtung entgegengesetzt. Ein von dem Impeller erzeugter Axialschub und ein von dem Gegenimpeller erzeugter Axialschub sind also in entgegengesetzte Richtungen wirksam. Dadurch, dass der Impeller und der Gegenimpeller mittels des Kopplungsbauteils axial kraftgekoppelt sind, gleichen sich ein von dem Impeller erzeugter Axialschub und ein von dem Gegenimpeller erzeugter Axialschub zumindest teilweise aus (Axialschubausgleich). Ein effektiver Gesamtaxialschub ist insofern bei einer derartigen Unterdruckerzeugungsvorrichtung reduziert oder vollständig kompensiert.
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Folglich müssen von einem Lager des Impellers bzw. des Gegenimpellers geringere Axialkräfte aufgenommen werden, was die Lebensdauer der Unterdruckerzeugungsvorrichtung erhöht. Ferner kann ein Lager des Impellers bzw. Gegenimpellers kleiner dimensioniert sein, was eine kompakte Bauweise der Unterdruckerzeugungsvorrichtung ermöglicht und Kosten reduziert. Andererseits ermöglicht es eine solche Ausgestaltung, Impeller mit vergleichsweise großem Durchmesser zu verwenden, ohne dass es zu einer erhöhten Lagerbelastung durch einen erhöhten Axialschub aufgrund des größeren Durchmessers kommt. Dann kann eine Drehzahl des Impellers bzw. Gegenimpellers reduziert werden, um eine vorgegebene Umfangsgeschwindigkeit des Impellers und somit einen vorgegebenen Unterdruck zu erzielen. Dies ermöglicht es, besonders robuste und kostengünstige Kugellager bzw. Rollen als Impellerlager einzusetzen, welche für hohe Drehzahlen nicht ausgelegt sind.
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Es ist möglich, dass die Verdichtereinrichtung mehrere Paare aus Impeller und dazugehörigem Gegenimpeller umfasst, welche jeweils paarweise über ein Kopplungsbauteil miteinander Axialkraft gekoppelt sind.
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Die Drehachse des Impellers und des Gegenimpellers verlaufen insbesondere miteinander fluchtend. Der Impeller und der Gegenimpeller sind vorzugsweise derart gelagert, dass sie um dieselbe Drehachse drehbar sind.
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Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass das axiale Kopplungsbauteil eine Welle umfasst oder von einer Welle gebildet ist, auf welcher der Impeller und der Gegenimpeller angeordnet sind, insbesondere axial fixiert sind. Dadurch können auftretende Axialkräfte über die gemeinsame Welle zwischen Impeller und Gegenimpeller übertragen werden. Zudem kann ein Antrieb des Impellers und des Gegenimpellers über die gemeinsame Welle erfolgen; Impeller und Gegenimpeller sind dann gleichdrehend.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung können die erste Ansaugseite und die zweite Ansaugseite zu einem gemeinsamen Ansaugzugang der Verdichtereinrichtung verbunden sein, also derart miteinander druckverbunden und strömungsverbunden sein, dass ein gemeinsamer Ansaugzugang gebildet ist. Beispielsweise ist es möglich, dass die erste Ansaugseite und die zweite Ansaugseite über eine gemeinsame Sammelleitung miteinander druckverbunden und strömungsverbunden sind und die Sammelleitung in einen gemeinsamen Ansaugstutzen der Verdichtereinrichtung mündet. Impeller und Gegenimpeller sind dann parallel geschaltet.
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Bei der vorgenannten Ausgestaltung addiert sich ein jeweiliges Ansaugvolumen des Impellers und des Gegenimpellers zu einem Gesamtansaugvolumen der Verdichtereinrichtung. Eine solche Unterdruckerzeugungsvorrichtung zeichnet sich folglich durch ein hohes Ansaugvolumen aus. Bei Verwendung in Unterdruck-Handhabungsanlagen - dann kann der Ansaugzugang mit einem Sauganschluss eines Sauggreifers verbunden sein - können somit auch poröse Werkstücke (viel Leckage) sicher gegriffen werden. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung können die erste Auslassseite und die zweite Auslassseite zu einem gemeinsamen Auslass der Verdichtereinrichtung verbunden sein.
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Bei Parallelschaltung des Impellers und des Gegenimpellers ist es für einen effektiven Axialausgleich bevorzugt, wenn der Impeller und der Gegenimpeller den gleichen Durchmesser aufweisen. Denkbar ist weiter, dass der Impeller und der Gegenimpeller zueinander spiegelbildlich ausgebildet sind, bezüglich einer Mittelebene senkrecht zur gemeinsamen Drehachse. Beispielsweise können dabei die Verdichterschaufeln für Impeller und Gegenimpeller gegenläufig gekrümmt sein. Durch geeignete korrespondierende Ausgestaltungen von Impeller und Gegenimpeller kann erreicht werden, dass Impeller und Gegenimpeller bei gleicher Drehzahl das gleiche Druckverhältnis zwischen Ansaugseite und Auslassseite erzeugen. Ein von dem Impeller bewirkter Axialschub und ein von dem Gegenimpeller bewirkter Axialschub sind dann betragsmäßig gleich und könnnen sich daher vollständig kompensieren. Der effektive Gesamtaxialschub ist also im Wesentlichen null.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung können die erste Auslassseite (also die Auslassseite des ersten Verdichterraums) und die zweite Ansaugseite (also die Ansaugseite des zweiten Verdichterraums) miteinander verbunden, also druckverbunden und strömungsverbunden, sein. Dann saugt der Gegenimpeller das von dem Impeller verdichtete und aus der ersten Auslassseite ausgegebene Fluid (sog. „Mittelluft“) an und verdichtet dieses weiter. Insofern bildet der Impeller eine erste Verdichterstufe und der Gegenimpeller bildet eine zweite Verdichterstufe. Der Impeller und der Gegenimpeller sind also in Reihe geschaltet. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht es, einen vergleichsweise hohen Unterdruck an der ersten Ansaugseite zu erzielen.
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Insbesondere sind die erste Auslassseite und die zweite Ansaugseite mittels einer Fluidleitung oder eines Fluidkanals, beispielsweise einem Schlauch, miteinander druck- und strömungsverbunden. Die Fluidleitung kann optional mit einer Kühleinheit zum Kühlen des Fluids gekoppelt sein.
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Je nach Betriebszustand ist es möglich, dass sich bei Reihenschaltung des Impellers und des Gegenimpellers ein Axialschub des Impellers und ein Axialschub des Gegenimpellers bei identischer Ausbildung des Impellers und des Gegenimpellers aufgrund der unterschiedlichen Druckausprägungen nicht vollständig ausgleichen. Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann es daher vorteilhaft sein, wenn der Impeller und der Gegenimpeller unterschiedlich dimensioniert sind, insbesondere unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Bei vorgegebener Drehzahl wird bei größerem Durchmesser ein höherer Axialschub erzeugt, da sich zum einen die wirksame Fläche des Impellers bzw. Gegenimpellers vergrößert und zum anderen der Auslassdruck des Impellers - und somit der auf die Rückseite des Impellers bzw. Gegenimpellers wirkende Druck - infolge der stärkeren Beschleunigung des Fluids aufgrund der höheren Umlaufgeschwindigkeit erhöht. In Abhängigkeit eines gewählten Durchmessers des Impellers bzw. des Gegenimpellers kann dann ein jeweiliger Axialschub angepasst werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass der Impeller einen größeren Durchmesser als der Gegenimpeller aufweist. Insofern hat sich herausgestellt, dass - bei Reihenschaltung und identischer Ausgestaltung des Impellers und des Gegenimpellers - ein von dem Gegenimpeller bewirkter Axialschub aufgrund der unterschiedlichen Druckausprägungen an Impeller und Gegenimpeller regelmäßig betragsmäßig größer als ein von dem Impeller bewirkter Axialschub ist, der Gegenimpeller also den Axialschub des Impellers überkompensiert. Ein größerer Durchmesser des Impellers führt zu einem höheren Axialschub des Impellers, was einer Überkompensation durch den Gegenimpeller entgegenwirkt und somit einen Axialschubausgleich begünstigt.
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Alternativ oder ergänzend kann eine Anpassung des Axialschubs des Impellers bzw. Gegenimpellers dadurch erfolgen, dass das axiale Kopplungsbauteil ein Getriebe umfasst, welches dazu eingerichtet ist, eine Antriebsbewegung einer Antriebseinrichtung zum Antreiben einer Rotationsbewegung des Impellers und des Gegenimpellers um die Drehachse der Art zu übersetzen, dass der Impeller und der Gegenimpeller mit unterschiedlichen Drehzahlen um die Drehachse rotieren. Insbesondere ist das Kopplungsbauteil von dem Getriebe gebildet. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht es, durch Veränderung der Drehzahl des Impellers bzw. des Gegenimpellers den vom Impeller bzw. Gegenimpeller bewirkten Axialschub anzupassen und somit einen Axialschubausgleich zu verbessern. Grundsätzlich führt eine höhere Drehzahl (höhere Umfangsgeschwindigkeit und somit höhere Beschleunigung der Luft) zu einem größeren Druckverhältnis zwischen Aktivseite und Rückseite des Impellers bzw. Gegenimpellers. Insofern führt eine erhöhte Drehzahl zu einem erhöhten Axialschub in Richtung von der Rückseite zur Aktivseite.
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Vorzugsweise ist das Getriebe derart ausgebildet, dass der Impeller mit einer größeren Drehzahl als der Gegenimpeller um die Drehachse rotiert. Der Impeller erzeugt dann einen höheren Axialschub, sodass einer Überkompensation des Axialschubs des Impellers durch den Gegenimpeller entgegengewirkt werden kann.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn der Impeller und der Gegenimpeller den gleichen Durchmesser aufweisen und der Impeller und der Gegenimpeller an ihrer jeweiligen Aktivseite eine Mehrzahl von Verdichterschaufeln aufweisen, und wenn die Verdichterschaufeln derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass der Impeller bei gleicher Drehzahl wie der Gegenimpeller ein größeres Druckverhältnis zwischen Ansaugseite und Auslassseite erzeugt als der Gegenimpeller. Wie vorstehend erläutert führt ein höheres Druckverhältnis zu einem höheren Axialschub des Impellers. Dies kann wiederum je nach Betriebszustand vorteilhaft für einen Axialschubausgleich sein. Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht grundsätzlich darin, dass die Anzahl Verdichterschaufeln eine Primzahl ist. Dies kann störende Schwingungen und Geräusche reduzieren.
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Für einen effizienten Betrieb der Unterdruckerzeugungsvorrichtung ist es ferner bevorzugt, wenn eine erste Dichteinrichtung vorgesehen ist mit einer im Bereich der Rückseite des Impellers angeordneten ersten Radialdichtung zum Abdichten des Impellers, insbesondere eines Impellerbundes, und/oder zum Abdichten einer Antriebswelle des Impellers gegenüber dem Verdichtergehäuse. Optional kann zusätzlich eine zweite Dichteinrichtung vorgesehen sein, mit einer im Bereich der Rückseite des Gegenimpellers angeordneten zweiten Radialdichtung zum Abdichten des Gegenimpellers, insbesondere eines Gegenimpellerbundes, und/oder zum Abdichten einer Antriebswelle des Gegenimpellers gegenüber dem Verdichtergehäuse. Die erste und/oder die zweite Radialdichtung können beispielsweise aus Kunststoff, Elastomer, Graphit oder sonstigen Materialien ausgebildet sein.
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Grundsätzlich ist es möglich, die erste und die zweite Radialdichtung im Wesentlichen vollständig abdichtend auszuführen. Vorteilhaft kann jedoch auch sein, dass die erste Radialdichtung als Spaltdichtung ausgebildet ist, welche einen vorgegebenen Leckagespalt definiert, wobei der Leckagespalt einen Strömungsweg für Umgebungsluft in den ersten Verdichterraum freigibt. Dann kann Umgebungsluft gewollt als „Leckageluft“ in den ersten Verdichterraum im Bereich der Rückseite des Impellers einströmen. Infolgedessen erhöht sich der Druck auf der Rückseite des Impellers, wodurch ein Axialschub des Impellers erhöht wird. Zudem erhöht sich auch der Druck des aus der ersten Auslassseite ausgegebenen Fluids in Richtung des Auslassdrucks an der zweiten Auslassseite. Der Arbeitspunkt (Druckpunkt) der „Mittelluft“ verschiebt sich also in Richtung des Auslassdrucks an der zweiten Auslassseite. Ein von dem Gegenimpeller erzeugtes Druckverhältnis reduziert sich somit. Insofern erzeugt der Gegenimpeller einen kleineren Axialschub. Hierdurch wird ein Axialschubausgleich bei Reihenschaltung begünstigt.
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Insbesondere wirkt der Leckagespalt als definierter Strömungswiderstand bzw. als Drosselstelle für den genannten Strömungsweg, sodass eine erwünschte Leckage in definiertem Umfang erfolgen kann. Vorzugsweise beträgt eine Spalthöhe des Leckagespalts weniger als 0,5 mm, insbesondere weniger als 0,2 mm (Kompromiss zwischen Abdichtung und Leckage), weiter vorzugsweise im Bereich von 0,05mm.
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Je nach Eigenschaften des Leckagespalts bzw. Dichtqualität der Dichtung kann also eingestellt werden, in welchem Betriebszustand der Axialschub von Impeller und Gegenimpeller weitgehend ausgeglichen ist. So ist es möglich, dass der gewünschte Ausgleich des Axialschubs z.B. im Betriebszustand des freien Ansaugens (offene Ansaugseite) oder für den Unterdruckbetrieb (mit weitgehend dicht verschlossener Ansaugseite) oder auch für einen Überdruckbetrieb erfolgen kann.
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Eine solche Anpassung kann vorzugsweise auch mittels eines einstellbaren Leckageventils zur Steuerung des Durchflusses von Umgebungsluft in den ersten Verdichterraum erfolgen. Ein solches Leckageventil ist insofern insbesondere derart ausgebildet und angeordnet, dass ein Durchfluss von Umgebungsluft durch den Leckagespalt der ersten Radialdichtung gesteuert werden kann.
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Ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Unterdruckerzeugungsvorrichtung ferner eine Ventileinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, in einer ersten Konfiguration einen Strömungsweg zwischen einer Ansaugseite der Verdichtereinrichtung, insbesondere der ersten Ansaugseite, oder dem Ansaugzugang der Verdichtereinrichtung und einem Sauganschluss freizugeben und in einer zweiten Konfiguration diesen Strömungsweg zu sperren. Der Sauganschluss kann insbesondere mit einem Sauggreifer zum Ansaugen und Handhaben von Gegenständen gekoppelt oder koppelbar sein. Bspw. kann es sich bei dem Sauganschluss um einen Anschlussschlauch eines Sauggreifers handeln. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht es, einen Gegenstand mit dem Sauggreifer in der ersten Konfiguration der Ventileinrichtung anzusaugen und in der zweiten Konfiguration abzulegen. Optional kann die Ventileinrichtung derart ausgebildet sein, dass der Sauganschluss in der zweiten Konfiguration der Ventileinrichtung atmosphärisch belüftbar oder mit Überdruck beaufschlagbar ist.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn eine Ventileinrichtung mit einer Hauptventileinheit vorgesehen ist, wobei die Hauptventileinheit in eine erste Ventilstellung und in eine zweite Ventilstellung verstellbar ist, wobei in der ersten Ventilstellung ein Strömungsweg zwischen einer Ansaugseite, insbesondere der ersten Ansaugseite, oder dem Ansaugzugang der Verdichtereinrichtung und einem mit der Ansaugseite bzw. dem Ansaugzugang koppelbaren Sauganschluss freigegeben ist und wobei in der zweiten Ventilstellung ein Strömungsweg zwischen einer Auslassseite, insbesondere der zweiten Auslassseite, der Verdichtereinrichtung und dem Sauganschluss freigegeben ist. Insbesondere ist in der ersten Ventilstellung der Strömungsweg zwischen Auslassseite und Sauganschluss getrennt und in der zweiten Ventilstellung der Strömungsweg zwischen Ansaugseite bzw. Ansaugzugang und Sauganschluss getrennt. Mit anderen Worten werden in den beiden Ventilstellungen Ansaugseite und Auslassseite vertauscht.
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Eine solche Ausgestaltung ermöglicht es - bei Verwendung der Unterdruckerzeugungsvorrichtung mit einem Sauggreifer einer vorstehend erläuterten Unterdruck-Handhabungsanlage - in der ersten Ventilstellung der Hauptventileinheit einen Gegenstand mit dem Sauggreifer anzusaugen und in der zweiten Ventilstellung der Hauptventileinheit den Gegenstand durch das aus der Auslassseite ausgegebene verdichtete Fluid (Überdruck) abzublasen. Dies ermöglicht ein komfortables Handhaben eines Gegenstandes, insbesondere ein schnelles Ablegen eines an einem Sauggreifer gehaltenen Gegenstandes.
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Vorzugsweise kann die Hauptventileinheit einen atmosphärischen Anschluss aufweisen, welcher in der zweiten Ventilstellung der Hauptventileinheit mit der Ansaugseite bzw. dem Ansaugzugang verbunden ist, sodass die Ansaugseite bzw. der Ansaugzugang Umgebungsluft ansaugen kann.
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Um eine schnelle Belüftung des Sauganschlusses zu erzielen, ist es ferner bevorzugt, wenn die Ventileinrichtung ein Belüftungsventil, insbesondere in Form eines Rückschlagventils, umfasst, welches derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, um in der zweiten Ventilstellung der Hauptventileinheit Umgebungsluft in den Sauganschluss einströmen zu lassen. Wird die Hauptventileinheit in die zweite Ventilstellung verstellt, kann der Sauganschluss (und somit ein mit dem Sauganschluss gekoppelter Sauggreifer) zunächst mit Umgebungsluft belüftet werden, sodass eine anfangs hohe Druckdifferenz zwischen Sauganschluss und Umgebung schnell abgebaut werden kann. Sobald der Druck in dem Sauganschluss Umgebungsdruck erreicht, schließt das Belüftungsventil durch den von der Verdichtereinrichtung erzeugten Überdruck (verdichtete Luft wird aus der Auslassseite der Verdichtereinrichtung in den Sauganschluss geblasen) und ein an dem Sauggreifer gehaltenes Werkstück wird durch den Überdruck abgeblasen. Hierdurch wird die Gesamt-Ablegezeit für ein mit einer angeschlossenen Sauggreifvorrichtung gegriffenen Gegenstand reduziert.
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Das Belüftungsventil ist vorzugsweise in einem Strömungsweg zwischen Auslassseite der Verdichtereinrichtung und Hauptventileinheit angeordnet, insbesondere in einer Fluidleitung zwischen Auslassseite der Verdichtereinrichtung und Hauptventileinheit. Vorzugsweise ist das Belüftungsventil als Rückschlagklappe ausgebildet, welche an der Auslassseite der Verdichtereinrichtung, insbesondere auf einem Auslassstutzen des Verdichtergehäuses, angeordnet ist.
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Optional kann die Ventileinrichtung ferner ein Rückschlagventil umfassen, welches in einem Strömungsweg zwischen der Ansaugseite oder dem Ansaugzugang der Verdichtereinrichtung und dem Sauganschluss angeordnet ist und in Richtung der Ansaugseite bzw. des Ansaugzugangs hin öffnet. Vorzugsweise ist das Rückschlagventil zwischen der Ansaugseite bzw. dem Ansaugzugang der Verdichtereinrichtung und der Hauptventileinheit angeordnet. Im Zuge eines Ansaugvorgangs der Verdichtereinrichtung ist das Rückschlagventil geöffnet. Wird eine Ansaugleistung reduziert, bspw. durch Reduzieren der Drehzahl der Verdichtereinrichtung, schließt das Rückschlagventil, sodass ein bereits erreichter Unterdruck in dem Sauganschluss aufrechterhalten bleibt. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht es beispielsweise, bei Erreichen eines Unterdruck-Schwellwerts in dem Sauganschluss (z.B. Unterdruck, welcher erforderlich ist, um einen Gegenstand an einem mit dem Sauganschluss gekoppelten Sauggreifer sicher zu halten) die Drehzahl des Impellers bzw. des Gegenimpellers zu reduzieren und weiterhin den Unterdruck in dem Sauganschluss aufrechtzuerhalten. Hierdurch kann die Aufnahmeleistung zum Ansaugen eines Gegenstandes reduziert werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die Unterdruckerzeugungsvorrichtung ferner eine Sensoreinrichtung zum Ermitteln eines Drucks in dem Sauganschluss und eine mit der Sensoreinrichtung und der Verdichtereinrichtung zumindest mittelbar gekoppelte Steuereinrichtung aufweisen. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit eines von der Sensoreinrichtung ermittelten Drucks die Verdichtereinrichtung anzusteuern. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, bei Erreichen eines Unterdruck-Schwellwerts in dem Sauganschluss die Verdichtereinrichtung derart anzusteuern, dass eine Drehzahl der Verdichtereinrichtung reduziert wird. Dann können beispielsweise poröse Werkstücke (viel Leckage und/oder wenig erforderliches Vakuum) bei kleineren Drehzahlen der Verdichtereinrichtung energieeffizient gegriffen werden. Bei saugdichten Werkstücken kann die Drehzahl der Verdichtereinrichtung hingegen beispielsweise so weit nach oben geregelt werden, bis ein erforderlicher Unterdruck zum sicheren Greifen des Werkstücks erreicht ist. Sobald dieser erforderliche Unterdruck erreicht ist, kann die Steuereinrichtung die Verdichtereinrichtung derart ansteuern, dass die Drehzahl der Verdichtereinrichtung reduziert wird.
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Insbesondere handelt es sich bei der Steuereinrichtung um eine Regeleinrichtung zum Regeln der Drehzahl der Verdichtereinrichtung in Abhängigkeit des von der Sensoreinrichtung ermittelten Drucks.
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Die Sensoreinrichtung kann den Druck in dem Sauganschluss direkt, beispielsweise über einen mechanischen oder elektrischen Drucksensor, messen. Es ist auch möglich, dass die Sensoreinrichtung den Druck nur mittelbar bestimmt.
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Eine Ausgestaltung der Unterdruckerzeugungsvorrichtung mit Sensoreinrichtung ermöglicht es zudem, auf einfache Weise weitere Betriebsparameter auszuwerten. Beispielsweise ist es möglich, in Abhängigkeit einer erfassten Leistungsaufnahme der Verdichtereinrichtung und eines von der Sensoreinrichtung ermittelten Drucks in dem Sauganschluss, die die Porosität eines an einem Sauggreifer gehaltenen Werkstücks zu bestimmen. Ferner kann aus einer Kombination der Leistungsaufnahme der Verdichtereinrichtung und des Drucks im Sauganschluss - bei saugdichten Werkstücken bzw. bei Werkstücken mit bekannter Porosität - der Zustand des Sauggreifers, bspw. eine mögliche Leckage innerhalb des Sauggreifers durch Verschleiß, ermittelt werden. Es ist bspw. auch möglich, durch Ermitteln der Zeitspanne, die erforderlich ist, um einen gewissen Schwellwert des Unterdrucks zu erzielen, das innere Volumen eines Sauggreifers zu ermitteln. Dies ermöglicht es, festzustellen, welcher Sauggreifer mit dem Sauganschluss verbunden ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 skizzierte Darstellung einer Ausgestaltung einer Unterdruckerzeugungsvorrichtung in einer geschnittenen Ansicht mit Impeller und Gegenimpeller in Parallelschaltung;
- 2 skizzierte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Unterdruckerzeugungsvorrichtung in einer geschnittenen Ansicht mit Impeller und Gegenimpeller in Reihenschaltung;
- 3 schematische Darstellung einer Baugruppe der Unterdruckerzeugungsvorrichtung gemäß 1 in einer ersten Ausgestaltung;
- 4 schematische Darstellung einer Baugruppe der Unterdruckerzeugungsvorrichtung gemäß 1 in einer zweiten Ausgestaltung; und
- 5 schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Unterdruckerzeugungsvorrichtung mit einer Ventileinrichtung.
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In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt eine in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Unterdruckerzeugungsvorrichtung. Die Unterdruckerzeugungsvorrichtung 10 weist eine Verdichtereinrichtung 12 zum Ansaugen und Verdichten von Luft auf.
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Die Verdichtereinrichtung 12 umfasst ein Verdichtergehäuse 14, welches sich entlang einer zentralen Achse 16 erstreckt. Das Verdichtergehäuse 14 ist abschnittsweise mit einem Kühlkörper 18 versehen, welcher dazu dient, im Betrieb der Verdichtereinrichtung 12 entstehende Wärme an die Umgebung abzuführen.
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Das Verdichtergehäuse 14 begrenzt einen ersten Verdichterraum 20, welcher eine erste Ansaugseite 22 zum Ansaugen von Luft und eine erste Auslassseite 24 zum Ausgeben von Luft aufweist. Die erste Ansaugseite 22 ist im vorliegenden Beispiel als erste Ansaugöffnung 26 in dem Verdichtergehäuse 14 ausgebildet und die erste Auslassseite 24 ist als erste Auslassöffnung 28 in dem Verdichtergehäuse 14 ausgebildet. Die erste Ansaugseite 22 kann bei Verwendung der Unterdruckerzeugungsvorrichtung 10 in Unterdruck-Handhabungsanlagen beispielsweise mit einem Sauganschluss eines Sauggreifers verbunden sein (nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 noch detaillierter beschrieben).
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In dem ersten Verdichterraum 20 ist ein Impeller 30 angeordnet, welcher um eine Drehachse 32 drehbar gelagert ist. Die Drehachse 32 entspricht im vorliegenden Beispiel der zentralen Achse 16. Der Impeller 30 ist auf einer Welle 34 angeordnet und dort axial fixiert. Die Welle 34 dient als Antriebswelle für den Impeller 30 und ist in einem Lager 36 in dem Verdichtergehäuse 14 drehbar gelagert. Bei dem Lager 36 kann es sich beispielhaft und bevorzugt um ein Kugellager handeln.
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Der Impeller 30 weist eine Aktivseite 38 und eine Rückseite 40 auf. Die Aktivseite 38 ist der ersten Ansaugseite 22 zugewandt und weist eine Mehrzahl von Verdichterschaufeln 42 auf. Die Verdichterschaufeln 42 sind derart ausgebildet und angeordnet, um bei Rotation des Impellers 30 um die Drehachse 32 Luft von der ersten Ansaugöffnung 26 anzusaugen, zu beschleunigen und nach radial außen aus der ersten Auslassöffnung 28 auszugeben. Zwischen dem radial äußeren Ende des Impellers 30 und der ersten Auslassöffnung 28 ist mindestens ein Diffusor 44 angeordnet, welcher die kinetische Energie der durch den Impeller 30 beschleunigten Luft in Druckenergie umwandelt.
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Zum Abdichten des Impellers 30 gegenüber dem Verdichtergehäuse 14 ist eine erste Dichteinrichtung 46 vorgesehen. Die erste Dichteinrichtung 46 umfasst eine im Bereich der Rückseite 40 des Impellers 30 angeordnete erste Radialdichtung 48, welche gegenüber einem Impellerbund 50 des Impellers 30 wirksam ist und diesen gegenüber dem Verdichtergehäuse 14 abdichtet. An der Aktivseite 38 ist der Impeller 30 über einen schmalen Spalt 52 gegenüber dem Verdichtergehäuse 14 abgedichtet.
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Die Verdichtereinrichtung 12 weist ferner einen Gegenimpeller 54 auf, welcher im vorliegenden Beispiel zu dem Impeller 30 im Wesentlichen spiegelbildlich bezüglich einer vertikalen Mittelachse 56 angeordnet ist. Der Gegenimpeller 54 ist in einem zweiten Verdichterraum 58 des Verdichtergehäuses 14 um die Drehachse 32 drehbar gelagert.
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Der Gegenimpeller 54 ist in analoger Weise zu dem Impeller 30 auf einer Welle 60 angeordnet und dort axial und radial fixiert. Die Welle 60 des Gegenimpellers 54 ist in einem Lager 61 in dem Verdichtergehäuse 14 drehbar gelagert und bildet mit der Welle 34 des Impellers 30 eine gemeinsame Welle 62, welche als Antriebswelle für den Impeller 30 und den Gegenimpeller 54 dient. Zu diesem Zweck ist die Welle 62 mit einer Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) koppelbar.
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Die gemeinsame Welle 62 bildet ein Kopplungsbauteil 64, welches den Impeller 30 und den Gegenimpeller 54 miteinander axial kraftkoppelt (nachfolgend noch detaillierter beschrieben).
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Der zweite Verdichterraum 58 weist eine zweite Ansaugseite 66 und eine zweite Auslassseite 68 auf. Die zweite Ansaugseite 66 ist als Ansaugöffnung 70 in dem Verdichtergehäuse 14 ausgebildet und die zweite Auslassseite 68 ist als Auslassöffnung 72 in dem Verdichtergehäuse 14 ausgebildet.
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Der Gegenimpeller 54 weist ebenfalls eine Aktivseite 74 und eine Rückseite 76 auf. Die Aktivseite 74 ist der zweiten Ansaugseite 66 zugewandt und weist eine Mehrzahl von Verdichterschaufeln 78 auf, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, um bei Rotation des Gegenimpellers 54 um die Drehachse 32 Luft von der zweiten Ansaugöffnung 70 anzusaugen, zu beschleunigen und nach radial außen aus der zweiten Auslassöffnung 72 auszugeben. Zwischen dem radial äußeren Ende des Gegenimpellers 54 und der zweiten Auslassöffnung 72 ist mindestens ein Diffusor 80 angeordnet, welcher die kinetische Energie der durch den Gegenimpeller 54 beschleunigten Luft in Druckenergie umwandelt.
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Zum Abdichten des Gegenimpellers 54 gegenüber dem Verdichtergehäuse 14 ist eine zweite Dichteinrichtung 82 vorgesehen. Die zweite Dichteinrichtung 82 umfasst eine im Bereich der Rückseite des Gegenimpellers 54 angeordnete zweite Radialdichtung 84, welche gegenüber einem Gegenimpellerbund 86 des Gegenimpellers 54 wirksam ist und diesen gegenüber dem Verdichtergehäuse 14 abdichtet. An der Aktivseite 74 ist der Gegenimpeller 54 über einen schmalen Spalt 88 gegenüber dem Verdichtergehäuse 14 abgedichtet.
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Wie bereits erwähnt, sind Impeller 30 und Gegenimpeller 54 im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen spiegelverkehrt bezüglich einer vertikalen Mittelachse 56 angeordnet. Insofern sind die Aktivseite 38 des Impellers 30 und die Aktivseite 74 des Gegenimpellers 54 voneinander abgewandt.
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Bei nicht dargestellten Ausführungsformen ist es auch möglich, dass die Aktivseite 38 des Impellers 30 und die Aktivseite 74 des Gegenimpellers 54 einander zugewandt sind.
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Im Betrieb, also bei Rotation des Impellers 30, saugt der Impeller 30 mit seiner Aktivseite 38 Luft von der ersten Ansaugöffnung 26 an und beschleunigt diese. Ein auf die Aktivseite 38 wirkender Druck steigt dabei von der Drehachse 32 nach radial außen bis zu einem ersten Auslassdruck an. An der Rückseite 40 des Impellers 30 liegt dann dieser erste Auslassdruck im Wesentlichen über die gesamte radiale Erstreckung an. Insofern wird im Betrieb an der Aktivseite 38 ein Unterdruck im Vergleich zu der Rückseite 40 erzeugt. Dies führt wie bereits vorstehend erläutert zu einer axialen Kraftwirkung auf den Impeller 30 in Richtung von der Rückseite 40 zur Aktivseite 38, was als Axialschub bezeichnet wird (in 3 durch den mit Bezugszeichen 90 bezeichneten Pfeil hervorgehoben).
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Gleiches gilt für den Gegenimpeller 54. Auch hier wird bei Rotation in analoger Weise ein Axialschub in Richtung von der Rückseite 76 zur Aktivseite 74 erzeugt (in 3 durch den mit Bezugszeichen 92 bezeichneten Pfeil hervorgehoben).
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Da die Aktivseite 38 des Impellers 30 und die Aktivseite 74 des Gegenimpellers 54 voneinander abgewandt sind, sind ein von dem Impeller 30 erzeugter Axialschub 90 und ein von dem Gegenimpeller 54 erzeugter Axialschub 92 entgegengesetzt wirksam. Der Axialschub 90 des Impellers 30 und der Axialschub 92 des Gegenimpellers werden über die gemeinsame Welle 62 übertragen und gleichen sich somit je nach Betriebszustand vollständig oder zumindest teilweise aus.
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Im Rahmen einer in 1 dargestellten ersten Ausgestaltung sind die erste Ansaugseite 22 und die zweite Ansaugseite 66 über eine Fluidleitung (in 1 durch die Strichlinie 94 hervorgehoben) zu einem gemeinsamen Ansaugzugang 96 der Verdichtereinrichtung 12 verbunden. In diesem Fall sind der Impeller 30 und der Gegenimpeller 54 parallel geschalten (vgl. obige Ausführungen hierzu). Bei identischer Ausbildung des Impellers 30 und des Gegenimpellers 54 sind ein Axialschub 90 des Impellers 30 und ein Axialschub 92 des Gegenimpellers 54 gleich und gleichen sich somit aus.
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Im Rahmen einer in 2 dargestellten alternativen Ausgestaltung sind die erste Auslassseite 24 und die zweite Ansaugseite 66 mittels einer Fluidleitung (in 2 mit Strichlinie 98 hervorgehoben) miteinander druck- und strömungsverbunden. In diesem Fall sind der Impeller 30 und der Gegenimpeller 54 in Reihe geschalten (vergleiche obige Ausführungen hierzu). Insofern saugt der Gegenimpeller 54 die von dem Impeller 30 verdichtete und aus der ersten Auslassseite 24 ausgegebene Luft an und verdichtet diese weiter.
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Insbesondere bei Reihenschaltung des Impellers 30 und des Gegenimpellers 54 kann die erste Radialdichtung 48 in vorteilhafter Weise als Spaltdichtung ausgebildet sein, welche einen vorgegebenen Leckagespalt 100 definiert. Beispielhaft ist die erste Radialdichtung 48 als Graphithülse ausgebildet, wobei eine Spalthöhe des Leckagespalts 100 insbesondere weniger 0,2 mm beträgt. Der Leckagespalt 100 gibt einen Strömungsweg für Umgebungsluft in den ersten Verdichterraum 20 frei. Im Betrieb strömt dann Leckageluft durch den Leckagespalt in den ersten Verdichterraum 20 ein (vgl. auch obige Ausführungen hierzu). Bei nicht dargestellten Ausführungsformen kann die erste Dichteinrichtung 46 ferner ein Leckageventil zur Steuerung des Durchflusses von Umgebungsluft in den ersten Verdichterraum 20 aufweisen.
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Bei einer weiteren, in 4 dargestellten Ausgestaltung kann der Impeller 30 einen größeren Durchmesser als der Gegenimpeller 54 aufweisen. Hierdurch erhöht sich wie bereits vorstehend erläutert sich ein Axialschub 90 des Impellers 30, was je nach Betriebszustand einen Axialschubausgleich weiter begünstigen kann.
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Bei nicht dargestellten Ausführungsformen ist es auch möglich, dass der Impeller und der Gegenimpeller zwar den gleichen Durchmesser aufweisen, die Verdichterschaufeln 42 des Impellers 30 und die Verdichterschaufeln 78 des Gegenimpellers 54 jedoch derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass der Impeller 30 bei gleicher Drehzahl wie der Gegenimpeller 54 ein größeres Druckverhältnis zwischen Ansaugseite 22 und Auslassseite 24 erzeugt als der Gegenimpeller 54.
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Bei weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen kann die Verdichtereinrichtung 12 ferner ein Getriebe umfassen, welches dazu eingerichtet ist, eine Antriebsbewegung der Antriebseinrichtung derart zu übersetzen, dass der Impeller 30 mit einer höheren Drehzahl als der Gegenimpeller 54 um die Drehachse 32 rotiert. Wie vorstehend erläutert führt dies ebenfalls zu einem erhöhten Axialschub 90 des Impellers 30.
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5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Unterdruckerzeugungsvorrichtung 10, welche eine vorstehend erläuterte Verdichtereinrichtung 12 und eine Ventileinrichtung 102 umfasst. In dem vorliegenden Beispiel ist die Verdichtereinrichtung 12 mit einem Sauganschluss 104 eines Saugangreifers 106 zum Ansaugen und Handhaben von Gegenständen 108 verbunden.
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Die Ventileinrichtung 102 weist eine Hauptventileinheit 110 auf, welche in eine erste Ventilstellung 112 und in eine zweite Ventilstellung 114 verstellbar ist. In der ersten Ventilstellung 112 ist ein Strömungsweg zwischen einer Ansaugseite 116 der Verdichtereinrichtung 12 und dem Sauganschluss 104 freigegeben. Bei der Ansaugseite 116 kann es sich um die erste Ansaugseite 22 der Verdichtereinrichtung 12 (bei Reihenschaltung) oder um den Ansaugzugang 96 der Verdichtereinrichtung 12 (bei Parallelschaltung) handeln. Eine Auslassseite 118 der Verdichtereinrichtung 12 ist in der ersten Ventilstellung 112 über einen atmosphärischen Anschluss 117 mit der Umgebung verbunden. Bei der Auslassseite 118 kann es sich um die zweite Auslassseite 68 der Verdichtereinrichtung 12 (bei Reihenschaltung) oder um einen gemeinsamen Auslass (nicht dargestellt) der Verdichtereinrichtung 12 (bei Parallelschaltung) handeln. In der ersten Ventilstellung 112 kann ein Gegenstand 108 mittels des Sauggreifers 106 angesaugt werden.
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In der zweiten Ventilstellung 114 ist ein Strömungsweg zwischen der Auslassseite 118 der Verdichtereinrichtung 12 und dem Sauganschluss 104 freigegeben. Die Ansaugseite 116 der Verdichtereinrichtung 12 ist in der zweiten Ventilstellung 114 dann über den atmosphärischen Anschluss 117 mit der Umgebung verbunden. In der zweiten Ventilstellung 114 sind also Ansaugseite 116 und Auslassseite 118 vertauscht, sodass ein an dem Sauggreifer 104 gehaltener Gegenstand 108 durch den von der Verdichtereinrichtung 12 erzeugten Überdruck abgeblasen wird.
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Optional kann die Ventileinrichtung 102 zusätzlich ein Belüftungsventil 120 in Form eines Rückschlagventils aufweisen. Das Belüftungsventil 120 ist beispielhaft und bevorzugt in einem Strömungsweg 122 zwischen der Auslassseite 118 der Verdichtereinrichtung 12 und der Hauptventileinheit 110 angeordnet und dazu ausgebildet ist, um in der zweiten Ventilstellung 114 der Hauptventileinheit 110 Umgebungsluft in den Sauganschluss 104 einströmen zu lassen.
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Optional kann die Ventileinrichtung 102 ferner ein Rückschlagventil 124 umfassen, welches in einem Strömungsweg zwischen Ansaugseite 116 der Verdichtereinrichtung 12 und Hauptventileinheit 110 angeordnet ist und in Richtung der Ansaugseite 116 der Verdichtereinrichtung 12 hin öffnet.
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Optional kann die Unterdruckerzeugungsvorrichtung 10 ferner eine Sensoreinrichtung 126, beispielhaft und bevorzugt in Form eines Drucksensors, zum Ermitteln eines Drucks in dem Sauganschluss 104 aufweisen. Die Unterdruckerzeugungsvorrichtung 10 kann dann zusätzlich eine mit der Sensoreinrichtung 126 und der Verdichtereinrichtung 12 zumindest mittelbar gekoppelte Steuereinrichtung 128 aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines von der Sensoreinrichtung 126 ermittelten Drucks in dem Sauganschluss 104 die Verdichtereinrichtung 12 anzusteuern. Eine solche Sensoreinrichtung 126 und Steuereinrichtung 128 kann auch unabhängig von der Ventileinrichtung 102 vorgesehen sein.
