DE3711143C2 - - Google Patents
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- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
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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