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Die Erfindung betrifft eine Pumpe zur Förderung von Temperierflüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Pumpen werden zur Förderung von Temperierflüssigkeiten eingesetzt. Die Temperieranforderungen erstrecken sich dabei über sehr große Temperaturbereiche von z. B. –100°C bis +250°C. Häufig werden noch weitere Anforderungen an die Temperierflüssigkeit gestellt wie z. B. nichtleitende Eigenschaften. In der Halbleiterindustrie wird zur Temperierung der Produktionsanlagen ein Temperierfluid eingesetzt, das unter dem Markennamen „Fluorinert” bekannt ist. Fluorinert hat eine zweimal höhere Dichte als Wasser, ist nichtleitend, hat eine niedrige Viskosität und keinerlei Schmiereigenschaften. Ein derartiges Fluid stellt deshalb hohe Anforderungen an die Pumpen, die zur Förderung benötigt werden. Bisherige Pumpen sind deshalb stets nur für einen relativ eng begrenzten Temperaturbereich ausgelegt und sind schwierig zu warten. Sehr oft ist auch ein spezieller Pumpenantrieb für einen bestimten Temperaturbereich vorgesehen, der den entsprechenden Temperaturen widersteht.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Pumpe bereitzustellen, die in einem großen Temperaturbereich zuverlässig arbeitet und wenig Verschleiß aufweist und die unabhängig von der Temperatur der zu fördernden Temperierflüssigkeit einfach zu warten ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Pumpe zur Förderung von Temperierflüssigkeiten weist ein Pumpengehäuse und wenigstens ein darin angeordnetes Fördermittel zur Förderung der Temperierflüssigkeit von einem Zufluss zu einem Abfluss auf. Das Fördermittel ist in einem Förderraum in wenigstens einem Fördermittellager drehbar gelagert. Weiter weist die Pumpe einen Antriebsmotor, dessen Antriebswelle über eine Magnetkupplung mit dem Fördermittel verbunden ist, auf. Erfindungsgemäß ist zwischen der Magnetkupplung und dem Pumpengehäuse eine thermische Entkopplungsstrecke vorgesehen ist und die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Pumpengehäuse, Fördermittel und Fördermittellager sind in einem Temperaturbereich von –100°C bis 250°C innerhalb einer Toleranz von 1,5% gleich.
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Mit einer solchen Pumpe lassen sich die eingangs erwähnten Nachteile vermeiden. Insbesondere kann aufgrund der thermischen Entkoppplungsstrecke ein im Handel erhältlicher Standard Elektromotor in kostengünstiger Weise als Pumpenantrieb eingesetzt werden. Unabhängig von der Temperatur der geförderten Temperierflüssigkeit kann aufgrund der Entkopplungsstrecke die Temperatur nur in begrenztem Maße von dem Pumpengehäuse auf den Pumpenantrieb übertragen werden. Das ist besonders bei tiefen Temperaturen von Vorteil, da z. B. zum Austausch des Pumpenantriebs nicht das ganze System aufgetaut werden muss, sondern die thermische Entkopplungsstrecke trägt dafür Sorge, dass Magnetkupplung und Pumpenantrieb nicht zufrieren und frei zugänglich bleiben oder zumindest nur so weit wie nötig aufgetaut werden müssen, ohne das Pumpengehäuse auf höhere Temperaturen zu bringen. Das bewirkt erhebliche Stillstandszeitreduzierungen einer zu temperierenden Fertigungsanlage und damit erhebliche Kostenvorteile.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Materialauslegung der Pumpenteilen, die mit der zu fördernden Temperierflüssigkeit in Berührung kommen, also Pumpengehäuse, Fördermittel und Fördermittellager, wobei diese Materialien so ausgelegt sind, dass ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich von –100°C bis +250°C innerhalb einer Toleranz von 1,5% gleich sind. Dann ist selbst über diesen extrem gorßen Temperaturbereich hinweg eine einwandfreie Funktion der Pumpe gewährleistet. Insbesondere ist über den Temperaturbereich hinweg ein konstantes Lagerspiel gegeben. Die Pumpe ist damit sehr vielseitig für die verschiedensten Fertigungsanlagen einsetzbar.
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Dabei besteht das Fördermittel vorteilhafterweise aus einem gehärteten Edelstahl und das oder die Fördermittellager umfassen Kohlenstoffgraphitlagerscheiben. Mit dieser Materialwahl läßt sich die Bedingung erfüllen und für Lagerungen mittels Kohlenstoffgraphitlagerscheiben werden keine Schmiereigenschaften des zu pumpenden Fluids benötigt, so dass sich insbesondere das wichtige Fluorinert mit Vorteil fördern lässt.
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In einer konstruktiv einfachen Ausführungsform umfasst die Entkopplungsstrecke ein thermisch nicht isoliertes Außenrohr, das auch die Magnetkupplung aufnimmt. Durch die fehlende Isolierung ist gewährleistet, dass entlang der thermischen Entkopplungsstrecke ein guter Wäremaustausch stattfinden kann und die heiße oder kalte Temperatur vom Pumpengehäuse möglichst wenig auf die Kupplung und den Pumpenantrieb übertragen wird.
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Dieser Effekt wird noch dadurch gefördert, dass das Außenrohr Temperieröffnungen aufweist, so dass der Wäremaustausch mit der Umgebung noch besser stattfinden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Pumpengehäuse einen oder mehrere Deckel auf, die über Metall-O-Ringe dichtend mit dem Pumpengehäuse verbunden sind. Mit einer Metall-O-Ringdichtung ist eine problemlose Abdichtung über den ganzen relevanten Temperaturbereich gegeben. Außerdem sind Metall-O-Ringdichtungen gegen aggressive zu pumpende Substanzen stabil und behalten ihre Dichtwirkung bei.
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Weiter wesentlich zur Funktionsstabilität der Pumpe über den großen Temperaturbereich trägt die Ausbildung des Pumpengehäuses als Frästeil bei. Ein Frästeil ist insbesondere gegenüber Verzug durch Temperatur stabil.
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In einer ersten Ausführungsform ist die Pumpe als Außenzahnradpumpe ausgebildet. Außenzahnradpumpen mit zwei miteinander kämmende Zahnrädern haben den Vorteil, dass sie relativ viskositätsunabhängig das Fluid gleich gut fördern. Typische Pumpleistungen betragen 60 l/min bei ca. 5,5 bar.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Pumpe als Kreiselpumpe ausgebildet ist und das rotierende Fördermittel an seinen beiden Enden in den Fördermittellagern gelagert ist. Fördermittel von bisherigen Kreiselpumpen sind entweder nur an einer Seite gelagert oder mit Kugellagern gelagert. Eine einseitige Lagerung ist sehr störanfällig und eine Kugellagerung benötigt Schmierung, so dass dann nur Fluide mit Schmiereigenschaften, wie z. B. Silikonöle, gefördert werden könnten. Aber die erfindungsgemäße Lagerung durch Kohlenstoffgraphitlagerscheiben macht auch die Förderung nichtschmierender Fluide mit Kreiselpumpen möglich. Kreiselpumpen sind kostengünstiger als Zahnradpumpen. Vorteilhafterweise erfolgt der Zulauf zentral durch eines der Fördermittellager.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Schnittzeichnung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe;
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2 einen Pumpenraum der Ausführungsform nach 1;
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3 eine schematische Darstellung eines thermischen Entkopplungsrohres;
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4 ein Detail der Pumpe aus 1;
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5 eine Ansicht wie 1 einer zweiten Ausführungsform.
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In einer ersten, in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine Pumpe 10 als Zahnradpumpe 12 ausgebildet. Die Zahnradpumpe 12 umfasst einen Pumpenantrieb 14 dessen Antriebswelle 16 über eine Magnetkopplung 18 mit einer Fördermittelantriebswelle 20 für ein Fördermittel 22 verbunden ist. Die Magnetkupplung 18 umfasst in bekannter Weise einen Spalttopf 18-1, einen Antriebsmagneten 18-2 und einen Abtriebsmagneten 18-3. Die Fördermittel 22 umfassen zwei Zahnräder 24 und 26 (2), die miteinander kämmen, so dass eine zu fördernde Temperierflüssigkeit, nachfolgend nur noch Fluid genannt, von einem Einlass 28 zu einem Auslass 30 gefördert wird. Die Zahnräder 24 und 26 rotieren derart und sind derart in einem Pumpengehäuse 32 gelagert, dass das Fluid zwischen den Zähnen 34 und 36 und dem Pumpengehäuse 32 in Pfeilrichtung nach bekanntem Außenzahnradpumpenbetrieb gefördert wird.
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Zwischen dem Pumpenantrieb 14 und dem Pumpengehäuse 32 besteht ein größerer Abstand, der von einer thermischen Entkopplungsstrecke 38 überbrückt wird. In der Regel sind die Teile, die mit dem zu fördernden Fluid in Berührung kommen, nämlich Einlass- und Auslassleitungen 28 und 30 sowie das Pumpengehäuse 32 thermisch isoliert, wohingegen die thermische Entkopplungsstrecke 38 nicht isoliert ist. Die Entkopplungsstrecke 38 besteht im wesentlichen aus einem Rohr 40, in dem die Fördermittelantriebswelle 20 geführt ist. Desweiteren befindet sich auch die Magnetkupplung 18 innerhalb des Rohres 40, das gegebenenfalls zweigeteilt sein kann, wie dies in 1 dargestellt ist. Das Rohr 40 weist zumindest endseitig Befestigungsflansche zum Festlegen an den Pumpenantrieb 14 und an das Pumpengehäuse 32 auf. Das Rohr 40 weist Temperieröffnungen 42 auf, um einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Rohr 40 und der Umgebung zu ermöglichen.
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Das Pumpengehäuse 32 umfasst einen Gehäusebasisteil 44 und wenigstens einen Gehäusedeckel 46, die über nicht dargestellte Verbindungsmittel verbunden sind, wobei eine Metall-O-Ringdichtung 48 die Verbindung abdichtet (4). In dem Gehäusedeckel 46 und in dem Gehäusebasisteil 44 sind Fördermittellager 50 und 52 vorgesehen, in denen die Fördermittelantriebswelle 20 drehbar gelagert ist.
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Das Pumpengehäuse 32 mit Basisteil und Deckel und die Fördermittel 22 sowie die Fördermittelantriebswelle 20 bestehen aus gehärtetem Edelstahl und die Fördermittellager 50 und 52 aus Kohlenstoffgraphit-Lagerringen. Diese Teile der Pumpe, die alle mit dem zu fördernden Fluid in Berührung kommen, weisen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, die in einem Temperaturbereich von –100°C bis +250°C innerhalb einer Toleranz von 1,5% gleich sind.
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Das Pumpengehäuse 32 mit seinem Gehäusebasisteil 44 und dem Gehäuse Decke 46 ist als Frästeil ausgebildet.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel, dass in 5 dargestellt ist, ist die Pumpe 10 als Kreiselpumpe 100 ausgebildet. Gleiche Teile sind hier mit gleichen Ziffern bezeichnet, die allerdings jetzt zur Unterscheidung um 100 erhöht sind. In gleicher Weise wie das erste Ausführungsbeispiel weist die Kreiselpumpe 10, einem Pumpenantrieb 114, ein Antriebswelle 116, eine Magnetkupplung 118, eine Fördermittelantriebswelle 121, thermische Entkopplungsstrecke 138, ein Pumpengehäuse 132, Fördermittel 122 sowie einen Fluidzufluss 128 und einen Abfluss 130 auf.
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Anders als im ersten Ausführungsbeispiel sind jetzt die Fördermittel 122 gebildet durch zwei Kreisscheiben 124 und 126 zwischen denen das Fluid über den Zufluss 128 zugeführt wird. Durch die Kreisbewegung wird das Fluid zwischen den Kreisscheiben nach dem bekannten Prinzip der Kreiselpumpe radial nach außen in Richtung des Abflusses 130 gefördert.
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Die Fördermittelantriebswelle 120 ist wiederum im Pumpengehäuse 132 in Kohlenstoffgraphit-Lagerscheiben 152 und 150 sowie in einer weiteren Lagerscheibe 151 gelagert. Dabei erfolgt der Zulauf des Fluid durch den Lagerring 152 hindurch. Die Lagerung in der Lagerscheibe 151 ist an einem Zwischenflansch 154 unmittelbar benachbart zur Magnetkupplung 118 am antriebseitigen Ende vorgesehen.
