DE3711143C2 - - Google Patents

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DE3711143C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Vakuumpumpenvor­ richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 35 14 317 A1 ist eine Vakuumpumpeneinrichtung bekannt, die aus einer Schraubenvakuumpumpe und einer Hubkolbenvakuumpumpe besteht, welche mit der Förderöffnung der Schraubenvakuumpumpe in Verbindung steht. Einer der beiden Schraubenrotoren wird von einem mit einer Antriebs­ quelle verbundenen Antriebszahnrad angetrieben, das mit einem auf der Rotorwelle drehfest angebrachten Antriebsrit­ zel kämmt. Die Anbringung dieses Antriebsritzels zusätzlich zu dem auf der Welle drehfest angebrachten Synchronisier­ zahnrad ist jedoch konstruktiv aufwendig.
Diese zweistufige Vakuumpumpenvorrichtung weist zudem eine Drucksensoreinrichtung auf, die den Druck an der Ansaugöff­ nung der Schraubenvakuumpumpe mißt und mit einer Steuer­ einrichtung verbunden ist. Eine Bypass-Leitung verbindet die Ansaugöffnung der Schraubenvakuumpumpe mit der die Förderöffnung der Schraubenvakuumpumpe mit der Ansaugöff­ nung der Hubkolbenvakuumpumpe verbindenden Leitung. Eine weitere Bypass-Leitung verbindet einen Zwischenabschnitt der Schraubenvakuumpumpe mit der genannten Bypass-Leitung. In der Ansaugöffnung der Schraubenvakuumpumpe und den beiden Bypass-Leitungen sind Ventile vorgesehen, die durch die Steuereinrichtung gesteuert werden. Beim Anlauf der Vakuumpumpe wird nur die Hubkolbenvakuumpumpe angetrieben, wobei das in der Ansaugöffnung der Schraubenvakuumpumpe vorgesehene Ventil geschlossen ist. Bei Erreichen eines vorherbestimmten Druckes verbindet eine Kupplung die Schraubenvakuumpumpe mit der die Hubkolbenvakuumpumpe antreibenden Antriebsquelle. Gleichzeitig wird das in der erstgenannten Bypass-Leitung vorgesehene Ventil geschlos­ sen. Die Drucksensoreinrichtung ist in Verbindung mit der Steuereinrichtung nur für die Steuerung des Anlaufs der Vakuumpumpenvorrichtung verantwortlich. Da die Hubkolben­ pumpe unabhängig von einer Drucksensoreinrichtung arbeitet, kann es bei geringen Drücken in der Ansaugöffnung der Schraubenvakuumpumpe zu geringen Drücken an der Förderöff­ nung kommen, bei denen eine Verdampfung des die Hubkolben­ pumpe abdichtenden Öls einsetzt. Durch die bei hohen Drüc­ ken einsetzenden mechanischen Verluste ist ein Antriebs­ motor mit hoher Leistung notwendig.
Bei beispielsweise durch Leckage auftretenden Druckschwan­ kungen in dem zu evakuierenden System läßt sich mit dieser Vakuumpumpenvorrichtung kein konstanter, vorherbestimmter Druck erreichen.
Aus der DE-AS 10 21 531 ist ein Vakuumpumpenaggregat be­ kannt, das aus einer Hintereinanderschaltung eines Roots- Gebläses und einer rotierenden Ölluftpumpe besteht. Das Roots-Gebläse wird bei hohen Ansaugdrücken durch einen Hilfsmotor mit geringer Tourenzahl und bei niedrigen An­ saugdrücken durch den Hauptmotor mit voller Drehzahl ange­ trieben. Der Antrieb erfolgt durch einen Motor mit regel­ barer Drehzahl abhängig von der Druckdifferenz an der Ansaugseite des Gebläses.
Aus der US-PS 29 36 107 ist ferner eine Vakuumpumpe gemäß der zweiten Stufe bekannt, die in einem durch ein festge­ legtes Fördervolumen und eine festgelegte Drehzahl bestimm­ ten Betriebspunkt mit einem Einlaßdruck von 13×102 Pa betrieben wird.
Aus der DE-OS 17 28 278 ist es schließlich noch bekannt, den Druck zwischen zwei Pumpen nicht unterhalb von 1,4× 102 Pa sinken zu lassen, damit ein Verdampfen von Wasser verhindert wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, die zweistufige Vakuumpumpenvorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich mit ihr hohe Vakua ohne Gefahr einer Verunreinigung des evakuierten Systems durch Öl bei geringem Energieverbrauch und bei einem klei­ nen Anlaufdrehmoment erreichen lassen.
Diese Aufgabe wird ausgehend von der gattungsgemäßen zwei­ stufigen Vakuumpumpenvorrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Mit der erfindungsgemäß ausgestalteten zweistufigen Vakuum­ pumpenvorrichtung werden Druckschwankungen in dem zu evaku­ ierenden System in kürzester Zeit ausgeglichen. Ferner wird ein Absinken des Drucks an der Förderöffnung der Schrauben­ vakuumpumpe auf einen Wert verhindert, der eine Diffusion des die Vakuumpumpe der zweiten Stufe abdichtenden Öle hervorrufen würde. Der Druck an der Förderöffnung der Schraubenvakuumpumpe läßt sich auch nach oben hin begren­ zen, um die mechanischen Verluste der Schraubenvakuumpumpe gering zu halten.
Die Auswahl des Einsatzbereichs der zweiten Bezugsgröße gemäß Anspruch 2 beruht darauf, daß ein Förderdruck der Schraubenvakuumpumpe oberhalb von 1,3×102 Pa die Öldiffu­ sion verhindert, während ein Druck unterhalb von 1,3×104 Pa die mechanischen Verluste in der Schraubenvakuumpumpe gering hält, so daß diese von einem kleinen Antriebsmotor angetrieben werden kann.
Anhand von Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 in einer Schemadarstellung die zweistufige Vakuum­ pumpenvorrichtung mit Steuereinheit,
Fig. 2 im Querschnitt die Drehschiebervakuumpumpe der Vakuumpumpenvorrichtung von Fig. 1,
Fig. 3 im Längsschnitt die Schraubenvakuumpumpe der Vaku­ umpumpenvorrichtung von Fig. 1,
Fig. 4 den Schnitt IV-IV von Fig. 3 und
Fig. 5 und 6 in Diagrammen Betriebskennlinien der Schrau­ benvakuumpumpe der Vakuumpumpenvorrichtung von Fig. 1.
Die in Fig. 1 gezeigte zweistufige Vakuumpumpenvorrichtung hat eine erste Stufe, welche von einer Schraubenvakuumpumpe 1 gebildet wird, und eine zweite Stufe, welche von einer durch Öl abgedichteten Drehschiebervakuumpumpe 2 gebildet wird.
Die Schraubenvakuumpumpe 1 hat eine Ansaugöffnung 1a, die mit einem nicht gezeigten, zu evakuierenden System in Verbindung steht, sowie eine Förderöffnung 1b, die über ein Rohr 3 mit einer Ansaugöffnung 2a der Drehschiebervakuum­ pumpe 2 verbunden ist. Die Förderöffnung 2b der Drehschie­ bervakuumpumpe 2 ist zur Atmosphäre hin offen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, hat die Drehschiebervakuumpumpe 2 ein Gehäu­ se 5 mit einer Arbeitskammer 6 und einem Rotor 7, der drehbar und exzentrisch in der Arbeitskammer 6 angeordnet ist. Der Rotor 7 hat radiale Schlitze, die ein Paar von Schiebern 8 aufnehmen, welche durch eine Feder 9 in Druck­ kontakt mit der inneren Umfangsfläche der Arbeitskammer 6 gedrückt werden. Die Drehschiebervakuumpumpe 2 hat außerdem ein Rückschlagventil 10 in ihrer Förderöffnung 2b. Mit dem Rotor 7 ist ein Elektromotor 43 verbunden, auf den als zweiter Elektromotor 43 Bezug genommen wird.
Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Schraubenvakuumpumpe 1 hat ein Hauptgehäuse 21 mit einer Arbeitskammer 26, ein Förder­ gehäuse 22 und eine stirnseitige Abdeckung 23. Das Hauptge­ häuse 21 nimmt einen Vorsprünge aufweisenden Rotor 24 und einen Vertiefungen aufweisenden Rotor 25 auf, der mit dem Vorsprünge aufweisenden Rotor 24 kämmt. Das Hauptgehäuse 21 und das Fördergehäuse 22 wirken so zusammen, daß die Ar­ beitskammer 26 gebildet wird. Die miteinander kämmenden Rotoren 24 und 25 sind für eine Drehung in der Arbeits­ kammer 26 angeordnet und sitzen auf Wellen, die drehbar in Lagern 27 und 28 abgestützt sind. An den Enden der Wellen der jeweiligen Rotoren, die über das Fördergehäuse 22 vorstehen, sind ein Vorsprünge aufweisendes Zahnrad 29 und ein Einbuchtungen aufweisendes Zahnrad 30 befestigt. Die Zahnräder 29 und 30 sind so ausgelegt und gebaut, daß sich die Rotoren 24 und 25 so drehen können, daß immer ein kleiner Spalt zwischen ihnen aufrechterhalten wird.
Zwischen den Wellen der jeweiligen Rotoren 24 und 25 und den Gehäusen 21 und 22 sind an Stellen axial innerhalb der Lager 27 bzw. 28 Wellendichtungen vorgesehen, die verhin­ dern, daß aus den Lagern 27 und 28 und von den Zahnrädern 29 und 30 Schmieröl in die Arbeitskammer 26 fließt.
An der Stirnseite des Rotors 25 mit den Vorsprüngen ist eine Schleuder 32 befestigt, die in die stirnseitige Ab­ deckung 23 vorsteht. Die Schleuder 32 verspritzt das Schmieröl, das in einem Ölspeicher 33 gespeichert ist, der von einem Bodenabschnitt der stirnseitigen Abdeckung 23 und einem Teil des Hauptgehäuses 21 gebildet wird, wodurch das Schmieröl den Lagern 27 zugeführt wird. Die Arbeitskammer 26 ist an ihrem einen Ende mit der Ansaugöffnung 1a im Hauptgehäuse 21 und an ihrem anderen Ende mit der Förder­ öffnung 1b in dem Fördergehäuse 22 verbunden.
Das Vorsprünge aufweisende Zahnrad 29 ist treibend mit einer Antriebswelle 37 über ein Antriebszahnrad 36 ver­ bunden. Die Antriebswelle 37 ist für den Antrieb mit einem Elektromotor 42 verbunden, auf den als erster Elektromotor 42 Bezug genommen wird. Die Zahnräder 29 und 30 und das Antriebszahnrad 36 sind in einer Getriebekammer 38 aufge­ nommen, die von einem Getriebegehäuse 39 und einer Seiten­ platte 40 gebildet wird. Die Welle 37 erstreckt sich durch eine in der Seitenplatte 40 ausgebildete Bohrung. Zwischen der Antriebswelle 37 und der Seitenplatte 40 ist eine Wellendichtung 41 vorgesehen.
Zum Messen des Drucks in der Ansaugöffnung 1a der Schrau­ benvakuumpumpe 1 ist eine Drucksensoreinrichtung 44 vor­ gesehen. Zur Messung des Drucks in dem Rohr 3 oder an der Förderöffnung 1b ist eine weitere Drucksensoreinrichtung 45 angeordnet. Die Drucksensoreinrichtungen 44 und 45 erzeugen den jeweiligen Drücken entsprechende Spannungen und somit Signale.
In einer Steuereinheit 46 sind ein erster Vergleicher 47 und ein zweiter Vergleicher 48, eine Bezugsgrößen-Einstell­ einrichtung 49 für die Vorgabe einer ersten Bezugsgröße und eine Bezugsförderdruck-Einstelleinrichtung 50 für die Vorgabe einer zweiten Bezugsgröße sowie eine Drehzahlsteu­ ereinrichtung 51 vorgesehen. Der erste Vergleicher 47 dient zum Vergleichen eines Ansaugdrucks Pid, der von der Druck­ sensoreinrichtung 44 gemessen wird, mit einem Bezugsansaug­ druck Pi, der durch die erste Bezugsgrößen-Einstelleinrich­ tung 49 vorgegeben ist. Der zweite Vergleicher 48 ver­ gleicht einen Förderdruck Pmd, der von der Drucksensorein­ richtung 45 gemessen wird, mit einem Bezugsförderdruck, der zwischen 1,3×102 und 1,3×104 Pa liegt und von der Be­ zugsförderdruck-Einstelleinrichtung 50 vorgegeben ist.
Der erste Vergleicher 47 liefert ein Drehzahlzunahmesignal im Falle von Pid < Pi und ein Drehzahlabnahmesignal im Falle von Pid < Pi. Wenn die Drücke Pid und Pi im wesentlichen gleich sind, erzeugt der Vergleicher 47 ein Signal, um die Drehzahl unverändert zu halten. Die Drehzahlsteuereinrich­ tung 51 arbeitet ansprechend auf das Ausgangssignal aus dem ersten Vergleicher 47 zur Steuerung der Drehzahl des ersten Elektromotors 42, um so den tatsächlichen Ansaugdruck Pid im wesentlichen auf dem gleichen Wert wie den Bezugsansaug­ druck Pi zu halten.
Der zweite Vergleicher 48 erzeugt ein Drehzahlzunahmesignal im Falle von Pmd < Pm und ein Drehzahlabnahmesignal im Falle von Pmd < Pm. Die Drehzahlsteuereinrichtung 51 steuert die Drehzahl des zweiten Elektromotors 43 entsprechend dem Ausgangssignal aus dem zweiten Vergleicher 48, wodurch der tatsächliche Förderdruck Pmd im wesentlichen auf dem glei­ chen Wert wie der Bezugsförderdruck Pm gehalten wird.
Die zweistufige Vakuumpumpenvorrichtung arbeitet folgen­ dermaßen: Zunächst läuft die Drehschiebervakuumpumpe 2 an, um den Druck im zu evakuierenden System, das mit der An­ saugöffnung 1a der Schraubenvakuumpumpe 1 verbunden ist, in der Arbeitskammer 26 der Schraubenvakuumpumpe und in dem Rohr 3 vom Atmosphärenwert (105 Pa) aus auf etwa 1,3×104 Pa zu reduzieren. Dann läuft die Schraubenvakuumpumpe 1 an, wodurch der Druck im evakuierten System weiter reduziert wird. Der Enddruck im evakuierten System kann durch Steue­ rung des Förderdrucks der die erste Stufe bildenden Schrau­ benvakuumpumpe 1 und der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 7 eingestellt werden. Die Drehzahlsteuerung der Rotoren 24 und 25 der Schraubenvakuumpumpe 1 erfolgt durch eine geson­ derte Einrichtung. Beispielsweise kann der Enddruck, d. h. die Größe des in dem evakuierten System erreichbaren Vakuums, dadurch gesteigert werden, daß die Umfangsdreh­ zahl der Rotoren 24 und 25 der Schraubenvakuumpumpe 1 gesteigert oder der Förderdruck der Schraubenvakuumpumpe 1 der ersten Stufe verringert wird.
Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem als Gegendruck aufgetragenen Förderdruck und dem Verdichtungsverhältnis, wobei die Rotorumfangsgeschwindigkeit als Parameter ver­ wendet wird. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Rotorumfangsgeschwindigkeit hoch sein muß, um ein hohes Verdichtungsverhältnis zu erhalten, wenn der Gegendruck auf der gleichen Höhe wie der Atmosphärendruck gehalten wird. Wenn jedoch der Gegendruck auf 1,3×102 bis 1,3×104 Pa erniedrigt wird, kann ein beträchtlich höheres Verdich­ tungsverhältnis erhalten werden, auch wenn die Rotorum­ fangsgeschwindigkeit niedriger ist.
Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Gegendruck und dem Leistungsverhältnis, worunter das Verhältnis der Wellenlei­ stung zu mechanischem Verlust zu verstehen ist, wobei wiederum die Rotorumfangsgeschwindigkeit als Parameter benutzt wird. Wenn der Gegendruck unter 1,3×104 Pa liegt, beträgt das Leistungsverhältnis im wesentlichen 1, so daß die Schraubenvakuumpumpe 1 nur bei einer Leistungszufuhr arbeiten kann, die im wesentlichen gleich dem mechanischen Leistungsverlust ist.
Durch Einsatz einer Schraubenvakuumpumpe 1 als erste Stufe ist es somit möglich, ein hohes Verdichtungsverhältnis in der Größenordnung von 103 bis 104 auch dann zu erhalten, wenn der Gegen- bzw. Förderdruck zwischen 1,3×102 und 1,3×104 Pa liegt. Außerdem wird die Pumpeneingangsleistung nicht wesentlich geändert, wenn der Gegen- bzw. Förderdruck 1,3×103 Pa oder weniger beträgt.

Claims (3)

1. Zweistufige Vakuumpumpenvorrichtung mit
  • - einer die erste Stufe bildenden, von einem ersten Elektromotor (42) angetriebenen Schraubenvakuumpumpe (1), deren Ansaugöffnung (1a) mit einem zu evakuie­ renden System in Verbindung steht,
  • - mit einer die zweite Stufe bildenden, angetriebenen Vakuumpumpe (2), die mit der Förderöffnung (1b) der Schraubenvakuumpumpe (1) in Verbindung steht, und
  • - mit einer Steuereinheit, der
    • - eine erste Drucksensoreinrichtung (44) zur Messung des Drucks an der Ansaugöffnung (1a) der Schrauben­ vakuumpumpe (1),
    • - eine Bezugsansaugdruck-Einstelleinrichtung (49) für die Vorgabe des Ansaugdrucks an der Ansaugöffnung (1a) der Schraubenvakuumpumpe (1) als erste Bezugs­ größe und
    • - ein Vergleicher (47) für den Vergleich der ersten Bezugsgröße mit dem von der ersten Drucksensorein­ richtung (44) gemessenen Ansaugdruck zur Erzeugung eines ersten Signals zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die die zweite Stufe bildende Vakuumpumpe eine von einem zweiten Elektromotor (43) angetriebene Drehschiebervakuumpumpe (2) ist und
  • - daß der Steuereinheit (46) weiterhin
    • - eine zweite Drucksensoreinrichtung (45) zur Messung des Drucks an der Förderöffnung (1b) der Schrauben­ vakuumpumpe (1),
    • - eine Bezugsförderdruck-Einstelleinrichtung (50) für die Vorgabe des Förderdrucks an der Förderöffnung (1b) der Schraubenvakuumpumpe (1) als zweite Be­ zugsgröße,
    • - wobei das von dem ersten Vergleicher (47) erzeugte Signal ein erstes Drehzahländerungssignal für den ersten Elektromotor (42) ist,
    • - ein zweiter Vergleicher (48) für ein Vergleichen der zweiten Bezugsgröße mit dem von der zweiten Drucksensoreinrichtung (45) gemessenen Förderdruck zur Erzeugung eines zweiten Drehzahländerungssi­ gnals für den zweiten Elektromotor (43) und
    • - eine Drehzahlsteuereinrichtung (51) zugeordnet sind, die basierend auf dem ersten und zweiten Drehzahländerungssignal die Drehzahl des ersten Elektromotors (42) bzw. des zweiten Elektromotors (43) steuert.
2. Zweistufige Vakuumpumpenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorgabe der zweiten Bezugsgröße der Steuereinheit (46) im Bereich von 1,3×102 bis 1,3×104 Pa einstellbar ist.
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