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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung einer
Hysteresemagnetkupplung, die beispielsweise für Pumpen vom Roots-Typ, Gebläse,
Vakuumpumpen und Kompressoren verwendet wird.
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Die GB-A-2176848 offenbart eine Roots-Pumpe, wie im ersten Teil von Anspruch
1 dargelegt.
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Bisher umfaßt die Hysteresekupplung ein Magnetplattenhalteelement, das mit
einer Magnetplatte versehen ist und ein Hystereseplattenhalteelement, das
mit einer Hystereseplatte versehen ist, um ein Drehmoment ohne Berührung
miteinander zu übertragen, um so ein Drehmoment unter Schlupfbedingung zu
übertragen, wenn das Drehmoment während der Drehung eine bestimmte Grenze
übersteigt. Die Hysteresekupplung kann an ein Gerät, beispielsweise eine Pumpe,
angeschlossen sein, um einen Spalt von maximal 1 mm zwischen der
Hystereseplatte und der Magnetplatte ohne jeglichen Unterbrecher dazwischen
zu bilden (siehe Fig. 2, die nicht veröffentlicht ist).
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Herkömmliche Pumpen sind mit Dichtelementen wie einer mechanischen Dichtung,
Öldichtung oder ähnlichem versehen. Insbesondere wenn die Hysteresekupplung
für eine Pumpe angewandt wird, die mit einer Anzahl von Dichtelementen versehen
ist, gibt es die folgenden Probleme:
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(1) Der Kraftverlust des Gerats aufgrund des Dichtungselements ist groß und
übersteigt häufig das Drehmoment der Kupplung, sodaß das Gerät nicht in Gang
gesetzt werden könnte, wenn das Gerät nach einer langen Ruhepause in Betrieb
genommen wird.
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(2) Wenn das Gerät unter Überlastung betrieben wird, beginnen eine
Antriebswelle und eine Pumpenwelle zu schlupfen und die Hystereseplatte wird
durch einen in einem Magnetfeld aufgetretenen Wirbelstrom erwärmt, wenn das
Ausmaß an Schlupf groß wird. Die an der Hystereseplatte erzeugte Wärme wird
zur Magnetplatte übertragen und verursacht die Verringerung der magnetischen
kraft des Magneten, sodaß ein angegebenes Übertragungsdrehmoment nicht
beibehalten werden kann.
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(3) Die von der Hystereseplatte zur Magnetplatte übertragene Wärme wird durch
die Pumpenwelle auf die Dichtungselemente übertragen und führt zum Festfahren
des Dichtungselements der Pumpenwelle und der anderen durch Einbrennen.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue und einzigartige Kupplung
zu schaffen, die zur Durchführung eines stabilisierten kontinuierlichen
Betriebs unter Überlastung ohne die obengenannten, durch Schlupf der
Magnetkupplung verursachten Nachteile ausgebildet ist
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Die vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine schematische vertikale Schnittansicht einer Hysteresemagnetkupplung
gemäß vorliegender Erfindung ist;
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Fig. 2 eine schematische vertikale Schnittansicht einer Hysteresemagnetkupplung
ist;
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die Figuren 3a, 3b und 3c schematische Ansichten sind, die
Membranmontagekonstruktionen veranschaulichen;
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Fig. 4 ein Schaubild ist, das Temperaturschwankungen von Magnetplatten zeigt;
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die Figuren 5a, 5b und 5c schematische Ansichten sind, die den Betrieb einer
Pumpe veranschaulichen.
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Auf Fig. 1 bezugnehmend, ist eine Hysteresemagnetkupplung gemäß vorliegender
Erfindung in eine Vakuumpumpe vom Rootstyp und ihre Antriebsvorrichtung
eingebaut.
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Die Hysteresemagnetkupplung umfaßt ein Magnetplattenhalteelement 1, das mit
einer Magnetplatte 1a versehen ist, und ein Hystereseplattenhalteelement 2,
das mit einer Hystereseplatte 2a vesehen ist. Die Halteplatten 1 und 2 sind
im Abstand voneinander angeordnet und starr mit einem Ende einer Pumpenwelle
3a bzw. einem Ende einer Motorwelle 4 verbunden. Eine Membran 5 aus einem
nichtmagnetischen Material ist in einem Raum mit einer Breite "l" zwischen
der Magnetplate 1a und der Hystereseplatte 2a angeordnet, sodaß sie diese
Platten 1a und 2a nicht berührt. Die Membran 5 ist an ihrer Peripherie zu
einem Pumpengehäuse 6 hermetisch abgedichtet, um einen Innenraum innerhalb
des Pumpengehäuses 6 in zwei Kammern "B" und "C" zu teilen, die rotierende
Elemente 1 bzw. 2 enthalten. Die Pumpenwelle 3a erstreckt sich durch eine
Öffnung in einer Trennwand von der Kammer "B" in eine Zahnradkammer "G" und
ist mit einem Anschlag 7 versehen, der mit einer in der Trennwand ausgebildeten
Rille zusammenwirkt. Ein Abschnitt des Pumpengehäuses 6 der Kammer "C" ist
mit einer Vielzahl von Lüftungsöffnungen "V" versehen.
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Die Pumpenwelle 3a wird durch Lager 8 drehbar auf Seitenwänden der Pumpenkammer
"P" getragen und ist durch Dichtungen 9 abgedichtet. Ein erster Pumpenrotor
10a ist starr an der Pumpenwelle 3a montiert und ein zweiter Pumpenrotor 10b
ist ebenfalls starr an einer zweiten Pumpenwelle 3b montiert, die parallel
zur Pumpenwelle 3a drehbar getragen wird und durch Zahnräder 12 und 13 in
einer Zahnradkammer "G" von der Pumpenwelle 3a angetrieben wird, sodaß sie
miteinander in einer Pumpenkammer "P" zusammenwirken, die eine Ansaugöffnung
"S" und eine Ausströmöffnung "D" aufweist.
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Die zwischen der Magnetplatte 1a und der Hystereseplatte 2a angeordnete Membran
verhindert im wesentlichen, daL an der Hystereseplatte 2a in der Kammer "C"
erzeugte Wärme während eines kontinuierlichen Betriebs unter Übelastung zur
Magnetplatte 1a übertragen wird und schließt die Kammer "B", die das am Ende
der Pumpenwelle 3a befestigte Halteelement 1 umgibt, von der Außenluft ab.
Demgemäß kann die Öffnung in der Trennwand, durch die die Pumpenwelle 3a sich
von der Kammer "B" in die Zahnradkammer "G" erstreckt, anstelle einer in Fig.
2 gezeigten teuren mechanischen Dichtung vom Berührungstyp, die beträchtliche
Wärme erzeugen kann, mit einer Dichtung vom berührungslosen Typ wie einem
Anschlag 7 mit einfacher und kostengünstiger Konstruktion versehen sein, um
zu verhindern, daß Schmieröl 11 aus der Zahnradkammer "G" ausläuft. Ees
weiteren ist es nicht notwendig, eine derartige teure Dichtung wie eine
magnetische Fluiddichtung oder ähnliches zu verwenden.
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Es ist vorzuziehen, eine Membran zu verwenden, die den folgenden Bedingungen
entspricht:
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1) eine hohe wärmeisolierende Eigenschaft aufzuweisen, um zu verhindern, daß
an der Hystereseplatte 2a erzeugte Wärme zur Magnetplatte 1a übertragen wird.
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2) nichtmagnetisch zu sein und das Übertragen eines Magnetfeldes zwischen
der Magnetplatte 1a und der Hystereseplatte 2a nicht zu beinflussen.
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3) nichtleitend zu sein (einen großen elektrischen Widerstand aufzuweisen)
und keinen Wirbelstrom durch eine Drehung eines Magnetfeldes zu erzeugen.
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4) einen hohen Elastizitätsmodul aufzuweisen, um einen hohen Differenzdruck
aushalten zu können, ohne die Magnetplatte durch Verformung zu berühren und
eine Membran zu erreichen, die so dünn wie möglich ist, da das
Übertragungsdrehmoment proportional zu (Raum "l")&supmin;³ ist.
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5) ausreichende Wärmebeständigkeit zu besitzen, um eine Temperatur über 100ºC
auszuhalten, die an der Hystereseplatte erzeugt wird.
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Die obigen Bedingungen für die Membran können unter Verwendung von
Keramikmaterialien erfüllt werden, insbesondere teilweise stabilisierten
Zirkonia(in der Folge als PSZ bezeichnet)-Keramikmaterialien, die hohe
wärmeisolierende Eigenschaft aufweisen, wie in Tabelle 1 gezeigt.
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Die Membran kann nur an ihrem peripheren Abschnitt in axialer Richtung
befestigt sein, wie in Fig. 3 gezeigt, oder kann vollständig befestigt sein
und die Gestalt ihres Querschnitts kann je nach der Konstruktion der Kupplung
variiert werden. Im Fall, dar eine Membran durch Differenzdruck verformt und
belastet wird, ist die in Fig. 3c gezeigte Gestalt am wirksamsten, um die
Verformung zu verringern.
Tabelle 1
nicht-magnetische Eigenschaft
elektrisch isolierende Eigenschaft
Elastizitätsmodul (×10&sup4; kg/mm²)
Temperatur (mehr als 100ºC)
Wärmeleitfähigkeit (cal/cm, ºC, s)
Metall
Kohlenstoffstahl
rostfreier Stahl
Phenolharz
SIC (Siliziumkarbid)
SSN (Siliziumnitrid
hat Fähigkeit oder kann verwendet werden
x hat keine Fähigkeit oder kann nicht verwendet werden
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Auf Fig. 1 bezugnehmend, sollte die Hystereseplatte an die Antriebswelle
(Motorwelle 4) und nicht an die angetriebene Welle (Pumpenwelle 3a)
angeschlossen sein, um zu verhindern, daß an der Hystereseplatte 2a erzeugte
Wärme auf die Pumpenwelle 3a übertragen wird. Insbesondere, um die an der
Hystereseplatte 2a während des Rutschens der Kupplung erzeugte Wärme an die
Luft aus Lüftungsöffnungen abzugeben, ist die Hystereseplatte 2a vorzugsweise
mit der Antriebswelle verbunden, die mit einer hohen Umdrehungszahl rotiert
und wirksam durch die Atmosphäre gekühlt wird. Daher sollte das die
Halteelemente der Hystereseplatte umgebende Gehäuse für die Luft geöffnet
sein, um Hystereseplattenwärme an die Luft abzugeben. Der Kupplungstyp ist
nicht auf die Scheibenform beschränkt, sondern kann auch eine zylindrische
Gestalt haben.
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Bei der Ausführungsform wie in Fig. 1 gezeigt ist die Magnetplatte 1a von
der Hystereseplatte 2a in einem Abstand von 4 mm angeordnet, und die Membran
aus PSZ-Keramik mit 3,0 mm Dicke ist zwischen der Magnetplatte 1 und der
Hystereseplatte 2a angeordnet. Eine Vakuumpumpe mit einer Ausströmöffnung
mit einem Durchmesser von 50 mm wird in einem unten genannten Zustand verwendet
und betrieben, um eine Temperaturschwankung der Magnetplatte 1a zu messen.
Die Ergebnisse von Tests der vorliegenden Erfindung werden in Fig. 4 gemeinsam
mit den Ergebnissen des zum Vergleich verwendeten Standes der Technik gezeigt,
der eine Einstellung auf einen 0,5 mm-Spalt zwischen einer Magnetplatte und
einer Hystereseplatte ohne die Membran aufweist, und die Betriebsmodi oer
Pumpe werden in den Figuren 5a, 5b bzw. 5c gezeigt.
Eine Betriebsbedingung
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Motor-Rotationsgeschwindigkeit: 3.500 UpM
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freie Gasverschiebung: 100 m³/h
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Nützliches Endvakuum: 2 X 10&supmin;² torr
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Differenz der Rotationsgeschwindigkeit
zwischen Motorwelle und Pumpenwelle: 2.000 UpM
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Umdrehungsgeschwindigkeit der Pumpenwelle: 1.500 UpM
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Spezifiziertes magnetisches Kupplungsdrehmoment: 13 Kg cm
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Motorgröße: 0,75 KW
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Es wird festgetellt, daß die Hysteresekupplung der Ausführungform einen Abstand
"l" von 4 mm aufweist, der größer ist als der des Stands der Technik, und
daher wird die Größe der Kupplung groß gemacht, um das spezifizierte Drehmoment
zu vereinheitlichen.
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Aus Fig. 4 ist zu erkennen, daß gemäß vorliegender Erfindung der
Temperaturanstieg der Magnetplatte 5 Minuten nach dem Ingangsetzen des Motors
15ºC beträgt und danach der Temperaturanstieg sehr gering ist, sodaß die
Reduktion der magnetischen Kraft des Magneten sehr gering ist. Dementsprechend
kann ein kostenkünstiger Magnet verwendet werden, der bei einer Temperatur
über 100ºC nicht einsetzbar ist.
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Gemäß vorliegender Erfindung kann die Übertragung der Wärme minimiert werden,
auch wenn die Hystereseplatten durch Schlupf während eines kontinuierlichen
Betriebs unter Überlastung erwärmt worden sind, sodaß die Erwärmung von
Pumpenelementen, die mit einer hohen Geschwindigkeit in der Pumpenkammer
rotieren, und eine Beeinträchtigung der Viskosität eines Schmieröls durch
seinen Temperaturanstieg vermieden werden kann. Demgemäß kann das spezifizierte
Drehmoment beibehalten werden und der Betrieb stabilisiert werden. Des weiteren
kann eine halbpermanente Dichtung ohne die Verwendung einer mechanischen
Dichtung oder anderem, die einen groben Kraftverlust verursacht und keine
vollständige Abdichtung beibehalten kann, erzielt werden.