EP2419641A2 - Roughing pump method for a positive displacement pump - Google Patents

Roughing pump method for a positive displacement pump

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EP2419641A2
EP2419641A2 EP10714627A EP10714627A EP2419641A2 EP 2419641 A2 EP2419641 A2 EP 2419641A2 EP 10714627 A EP10714627 A EP 10714627A EP 10714627 A EP10714627 A EP 10714627A EP 2419641 A2 EP2419641 A2 EP 2419641A2
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EP
European Patent Office
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positive displacement
pump
displacement pump
max
pressure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10714627A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Birch
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Leybold GmbH
Original Assignee
Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2419641A2 publication Critical patent/EP2419641A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/20Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by changing the driving speed
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C28/00Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids
    • F04C28/08Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids characterised by varying the rotational speed
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/12Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C18/123Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with radially or approximately radially from the rotor body extending tooth-like elements, co-operating with recesses in the other rotor, e.g. one tooth
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C2270/02Power
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    • F04C2270/00Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/18Pressure

Definitions

  • the invention relates to a coarse pumping method for a positive displacement pump and to a positive displacement pump device for producing a coarse pressure difference.
  • a coarse pressure difference is understood as meaning a negative pressure difference in the sense of a rough vacuum or a positive pressure difference in the sense of a coarse pressure application.
  • a typical rough vacuum is in the range of up to 500 mbar pressure difference and typically between 100 and 300 mbar pressure difference.
  • rough vacuum pumps which are usually designed as single-shaft pumps.
  • Side channel compressors have a fixed volume flow capacity and must always be operated at a continuously high speed. They work on the principle of torque transmission using the Euier energy equation for compressible fluids.
  • Displacement pumps such as a Roots pump
  • a Roots pump are particularly effective for maintaining low pressures where no large volume flow is to be conveyed, or for producing low pressure differences.
  • positive displacement pumps such as Roots pumps, have not been used so far.
  • the invention has for its object to provide a simple and energy-efficient coarse pumping method and a corresponding coarse pumping device.
  • the coarse pumping method according to the invention is defined by the features of claim 1.
  • the positive displacement pump device according to the invention is defined by the features of claim 9.
  • Claim 1 defines a coarse pumping method for a positive displacement pump, for establishing a differential pressure between the input and the output of the Displacement pump.
  • the rotational speed of the positive displacement pump is adapted to the maximum differential pressure to be produced in such a way that the power consumption of the positive displacement pump approaches the physically minimal power required for the gas compression to produce the differential pressure.
  • the advantage of a positive displacement pump over a conventional rough vacuum pump, such as a side channel compressor, is that the pump power is variable by varying the speed or piston stroke. By reducing the speed, the generated pressure and the power consumption of the positive displacement pump can be reduced.
  • the positive displacement pump is in this case designed so that its maximum power consumption at maximum speed is greater than the theoretically minimum required power for compressing the gas to produce the desired pressure difference.
  • the pump is suitable for a larger pressure difference.
  • the differential pressure generated by the pump can be reduced in such a way that the power consumption of the pump approaches the minimum required power for the gas compression. Adjusting the power consumption to the power required for gas compression is only possible with electronically controlled positive displacement pumps, but not with the conventional side channel compressors.
  • a positive displacement pump makes it possible to deliver a closed volume of gas from the pump inlet to the pump outlet at an adjustable rate.
  • the speed is vorzu in flowless state, being
  • V 5 is the volume flow pump capacity of the positive displacement pump
  • the coarse pressure difference ⁇ P max to be set may be in a range of up to -500 mbar or up to +500 mbar.
  • a typical coarse pressure difference is given in a range between ⁇ 200 to ⁇ 400 mbar.
  • the torque T of the pump drive is reduced with increasing pressure difference ZiP between output-side pressure P out and input-side pressure P 1n and with increasing pump speed.
  • the reduction of the torque occurs above a speed limit ⁇ v / r, up to which preferably constant torque prevails.
  • the speed limit ⁇ v / r should be> 0 and preferably below 30 Hz.
  • the course of the torque above the speed limit value ⁇ v / f over the pressure difference is preferably linearly decreasing.
  • Such a torque reduction can be carried out in an electric motor using an electronic inverter, wherein the value of the limit speed ⁇ v / r should be chosen as low as possible. With an electronic inverter, a limiting speed ⁇ v / f of 10 Hz can be achieved.
  • the reduction of the torque with increasing pressure difference is advantageous because the torque 7 according to the formula
  • Vs the volume flow capacity
  • the positive displacement pump device preferably has a reservoir for the pressure difference ⁇ P max to be produced as part of the control device.
  • the memory has a program for setting the rotational speed ⁇ according to the relationship mentioned in claim 1.
  • the pump drive is preferably an electric motor and the control device may be an electronic inverter.
  • the electric motor may be an induction motor, a reluctance motor or a brushless DC motor.
  • the positive displacement pump is preferably a Roots pump or alternatively a claw screw pump or a dry rotary vane pump.
  • the positive displacement pump may be formed in one or more stages, wherein the plurality of stages may have different displacement capacities.
  • the positive displacement pump may be air-cooled or liquid-cooled, for example by water or oil.
  • Figure 1 is a block diagram of a Verdrängerpumpenvoroplasty according to the firstticiansbeispiei and
  • FIG. 2 shows a performance diagram for the positive-displacement pump device according to FIG. 1.
  • the positive displacement pump device 16 consists of a positive displacement pump 10, a pump drive 12 for the positive displacement pump 10 and a control device 14 connected to the pump drive 12.
  • the positive displacement pump 10 is a Roots pump and the pump drive 12 is an electric motor.
  • the control device 14 is an electronic inverter, with which the rotational speed of the pump drive 12 and the positive displacement pump 10 are adjustable.
  • the positive-displacement pump 10 is oversized for the prevailing pressures P in and P out and for the resulting pressure difference ⁇ P max -P o u t ⁇ Pi n , so that the power consumption of the pump 3,4 by reducing the speed of the pump drive 12 and the positive displacement pump 10 by means of the control device 14 to the minimum power required for gas compression 2 for producing the differential pressure ⁇ P max approximates.
  • Oversized means that the pump is designed for a larger pressure difference.
  • the input side pressure P 1n in millibars are plotted on the horizontal axis, the volume flow V in cubic meters per hour on the right vertical axis and the resulting power Pwr in watts on the left vertical axis.
  • the positive displacement pump 10 is used in coarse pumping operation for generating a rough vacuum (English: rough vacuum). In this case, approximately atmospheric pressure prevails at the pump outlet 20, that is, P out is 1000 mbar.
  • the pump can also be used for generating an input-side pressure P 1n of 1300 mbar, in which case the amount of the pressure difference ⁇ P max to be produced is 300 mbar.
  • the volume flow V which is established in the positive-displacement pump 10 during operation for producing the input-side pressure P, n> mm , is designated by the reference numeral 1.
  • the pump starts, there is still atmospheric pressure on the input side, ie P 1n - P out .
  • the resulting pressure difference ⁇ P P out -P 1n -0.
  • the volume flow V in the pump is then aiso equal to the volume flow capacity V 5 of the positive displacement pump 10.
  • the pump capacity of the positive displacement pump 10 is proportional to the pressure difference .DELTA.P and provided in Figure 2 with the reference numeral 3.
  • side channel blowers are typically used in the coarse pumping area, but they have the drawback that they always have to be operated at constant speed in order to obtain their pumping speed.
  • a speed control to improve the efficiency of pumps therefore differed completely in the rough pumping.
  • the invention is based on the principle that positive displacement pumps promote a firmly umschiossenes volume, wherein the speed of the positive displacement pump has no influence on the respectively funded enclosed volume. With positive displacement pumps, the speed only affects the throughput of the pumped enclosed volume.
  • This advantage is used according to the invention in order not to operate a per se oversized positive displacement pump 10 with its oversized performance 3, but by reducing the speed of the positive displacement pump 10, the pump power 3.4 of the physical minima! approach required input power 2. With the previous rough vacuum pumps, such as side channel blowers, this is not possible so far.
  • the pump speed is thereby reduced by reducing the speed of the electric motor 12 by means of the inverter 14.
  • the pump speed is ⁇ on the relationship
  • P in is the prevailing suction pressure on the input side 18 of the positive displacement pump 10.
  • C 1 is the associated backflow (English: back leakage conductance) in cubic meters per hour.
  • the return flow Q is calculated according to
  • Q is the mass flow in millibars times cubic meters per hour.
  • the volume flow capacity V 5 of the positive displacement pump is predetermined and is in the Roots pump of the embodiment 42Qm 3 / hr.
  • rough vacuum pumps have a volumetric flow capacity in the range between 1 and 2000 m 3 / hr.
  • the output-side pressure P ou t is specified as the atmospheric pressure of 1000 mbar, so that the pump power 3 increases with decreasing input pressure P 1n .
  • the pump torque T (English: torque) is calculated according to
  • the input-side pressure Pj n depends on the applied torque T.
  • This relationship can be exploited by utilizing the inherent current control of an electronic inverter 14 to control torque T via control of the current in an electric motor 12.
  • the torque curve of the inverter is up to the limit speed! ⁇ v / f constant and falls above the limit speed ⁇ v / f linearly to 0 from. This is advantageous because the torque according to the above equation depends on the input pressure P i ⁇ , so that in order to reach a certain input pressure P in only a certain torque is needed.
  • the rotational speed ⁇ of the positive displacement pump 10 is initially set in such a way that the minimum input pressure P 1 m i n to be produced is attained at the lowest possible rotational speed ⁇ in order to achieve the required torque Pump power 3.4 to minimize.
  • the torque curve with continuously decreasing torque described above is then used to approximate the power consumption 4 of the positive displacement pump 10 to the physically minimum required power 2.
  • the reduced pump input power 4 compared to the pump power 3 at maximum speed ⁇ max of the positive displacement pump 10 is clearly approximated to the minimum physical input power 2.
  • a correspondingly oversized positive displacement pump 10 operating at reduced speed ⁇ according to the above relationship operates more effectively than a conventional roughing pump, such as a side channel compressor.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a simple and energy efficient roughing pump method for a positive displacement pump (10), used to produce a maximum differential pressure (ΔP max ) between the inlet (18) and the outlet (20) of the positive displacement pump (10), in which the rotational speed (Ω) of the positive displacement pump (10) is adapted to the maximum differential pressure (ΔP max ) to be generated, such that the power consumption (3, 4) of the positive displacement pump (10) is close to the minimum power (2) required for gas compression for producing the maximum difference pressure (ΔP max ).

Description

Grobpumpyerfahren für eine Verdrängerpumpe Grobpumpyerfahren for a positive displacement pump
Die Erfindung betrifft ein Grobpumpverfahren für eine Verdrängerpumpe sowie eine Verdrängerpumpenvorrichtung zum Herstellen einer Grobdruckdifferenz.The invention relates to a coarse pumping method for a positive displacement pump and to a positive displacement pump device for producing a coarse pressure difference.
Unter einer Grobdruckdifferenz wird vorliegend eine negative Druckdifferenz im Sinne eines Grobvakuums oder eine positive Druckdifferenz im Sinne einer Grobdruckbeaufschlagung verstanden. Ein typisches Grobvakuum liegt im Bereich von bis zu 500 mbar Druckdifferenz und typischerweise zwischen 100 und 300 mbar Druckdifferenz. Für verschiedenste Anwendungen besteht ein großer Bedarf an Grobvakuumpumpen, die meist als Einwellen- Zentrifugalverdichter oder als Seitenkanalverdϊchter ausgebildet sind. Seitenkana!verdichter besitzen eine feste Volumenstromkapazität und müssen stets mit kontinuierlich hoher Geschwindigkeit betrieben werden. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Drehmomentübertragung anhand der Euier'schen Energiegleichung für kompressible Flüssigkeiten. Seitenkanalverdichter müssen selbst bei großer Druckdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdichters zur Erzeugung eines entsprechend geringen Volumenstroms bei ihrer vollen Volumenstromkapazität betrieben werden. Die von dem Verdichter benötigte Leistung ist proportional zu der Volumenstromkapazϊtät, wobei die zum Verdichten und Transportieren eines geringen Gasstroms theoretisch minimal benötigte Leistung proportional zu der tatsächlichen Volumenstromkapazität ist. Aufgrund dieser Differenz zwischen tatsächlich aufgebrachter Leistung und der zum Verdichten des Gasstroms physikalisch benötigten Leistung ist der Einsatz solcher herkömmlichen Grobvakuumverdichter ineffizient.In the present case, a coarse pressure difference is understood as meaning a negative pressure difference in the sense of a rough vacuum or a positive pressure difference in the sense of a coarse pressure application. A typical rough vacuum is in the range of up to 500 mbar pressure difference and typically between 100 and 300 mbar pressure difference. For a great variety of applications, there is a great need for rough vacuum pumps, which are usually designed as single-shaft pumps. Centrifugal compressors or are designed as Seitenkanalverdϊchter. Side channel compressors have a fixed volume flow capacity and must always be operated at a continuously high speed. They work on the principle of torque transmission using the Euier energy equation for compressible fluids. Side channel compressors must be operated even at a large pressure difference between the input and the output of the compressor to produce a correspondingly low flow rate at its full volume flow capacity. The power required by the compressor is proportional to the volumetric flow capacity, the theoretically minimum required power for compressing and transporting a small gas flow being proportional to the actual volumetric flow capacity. Due to this difference between actual applied power and the power physically required to compress the gas flow, the use of such conventional rough vacuum compressors is inefficient.
Verdrängerpumpen, wie zum Beispiel eine Roots-Pumpe, sind zur Aufrechterhaltung geringer Drücke, bei denen kein großer Volumenstrom zu fördern ist, oder zur Erzeugung geringer Druckdifferenzen besonders effektiv. Zur Erzeugung eines Grobvakuums mit großer Druckdifferenz werden Verdrängerpumpen, wie zum Beispiel Roots-Pumpen, bislang nicht eingesetzt.Displacement pumps, such as a Roots pump, are particularly effective for maintaining low pressures where no large volume flow is to be conveyed, or for producing low pressure differences. To generate a rough vacuum with a large pressure difference, positive displacement pumps, such as Roots pumps, have not been used so far.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und energieeffizientes Grobpumpverfahren sowie eine entsprechende Grobpumpvorrichtung zu schaffen.The invention has for its object to provide a simple and energy-efficient coarse pumping method and a corresponding coarse pumping device.
Das erfindungsgemäße Grobpumpverfahren ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpenvorrichtung ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 9.The coarse pumping method according to the invention is defined by the features of claim 1. The positive displacement pump device according to the invention is defined by the features of claim 9.
Anspruch 1 definiert ein Grobpumpverfahren für eine Verdrängerpumpe, zum Herstellen eines Differenzdrucks zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Verdrängerpumpe. Hierbei wird die Drehzahl der Verdrängerpumpe derart an den herzustellenden maximalen Differenzdruck angepasst, dass sich die Leistungsaufnahme der Verdrängerpumpe an die für die Gaskompression physikalisch minimal benötigte Leistung zum Herstellen des Differenzdrucks annähert. Der Vorteil einer Verdrängerpumpe gegenüber einer herkömmlichen Grobvakuumpumpe, wie zum Beispiel einem Seitenkanalverdichter, besteht darin, dass die Pumpenleistung durch Variieren der Drehzahl beziehungsweise des Kolbenhubs variabel ist. Durch Reduzieren der Drehzahl können der erzeugte Druck und die Leistungsaufnahme der Verdrängerpumpe reduziert werden. Die Verdrängerpumpe ist hierbei so ausgelegt, dass ihre maximale Leistungsaufnahme bei maximaler Drehzahl größer ais die theoretisch minimal benötigte Leistung zum Komprimieren des Gases, um die gewünschte Druckdifferenz herzustellen, ist. Das heißt mit anderen Worten, dass die Pumpe für eine größere Druckdifferenz geeignet ist. Hierbei kann durch Reduzieren der Drehzahl der Verdrängerpumpe der von der Pumpe erzeugte Differenzdruck derart reduziert werden, dass sich die Leistungsaufnahme der Pumpe an die für die Gaskompression minimal benötigte Leistung annähert. Ein Anpassen der Leistungsaufnahme an die zur Gaskompression benötigte Leistung ist nur mit elektronisch gesteuerten Verdrängerpumpen, jedoch nicht mit den herkömmlichen Seitenkanalverdichtern, möglich. Eine Verdrängerpumpe ermöglicht es, ein abgeschlossenes Gasvolumen von dem Pumpeneingang zu dem Pumpenausgang mit einstellbarer Geschwindigkeit zu fördern.Claim 1 defines a coarse pumping method for a positive displacement pump, for establishing a differential pressure between the input and the output of the Displacement pump. In this case, the rotational speed of the positive displacement pump is adapted to the maximum differential pressure to be produced in such a way that the power consumption of the positive displacement pump approaches the physically minimal power required for the gas compression to produce the differential pressure. The advantage of a positive displacement pump over a conventional rough vacuum pump, such as a side channel compressor, is that the pump power is variable by varying the speed or piston stroke. By reducing the speed, the generated pressure and the power consumption of the positive displacement pump can be reduced. The positive displacement pump is in this case designed so that its maximum power consumption at maximum speed is greater than the theoretically minimum required power for compressing the gas to produce the desired pressure difference. In other words, that the pump is suitable for a larger pressure difference. In this case, by reducing the rotational speed of the positive displacement pump, the differential pressure generated by the pump can be reduced in such a way that the power consumption of the pump approaches the minimum required power for the gas compression. Adjusting the power consumption to the power required for gas compression is only possible with electronically controlled positive displacement pumps, but not with the conventional side channel compressors. A positive displacement pump makes it possible to deliver a closed volume of gas from the pump inlet to the pump outlet at an adjustable rate.
Die Drehzahl wird vorzu im strömungslosen Zustand, wobeiThe speed is vorzu in flowless state, being
V5 die Volumenstrom-Pumpkapazität der Verdrängerpumpe,V 5 is the volume flow pump capacity of the positive displacement pump,
C/ der Leckagen bedingte Volumen-Rückstrom innerhalb der Pumpe, Pout der ausgangsseitige Druck der Verdrängerpumpe,C / leakage volume return flow within the pump, P out the output side pressure of the positive displacement pump,
Pin,min der herzustellende minimale eingangsseitige Druck der Verdrängerpumpe mit ΔPmgx - Pout - Pin,min undPin, m i n the minimum input side pressure of the positive displacement pump with ΔP mgx - P ou t - Pin, min and
Ωmax die maximale Drehzah! der Verdrängerpumpe und Ω < Ωmax Ω m a x the maximum speed! the positive displacement pump and Ω <Ω max
sind, eingestellt. Die einzustellende Grobdruckdϊfferenz ΔPmax kann hierbei in einem Bereich von bis zu -500 mbar beziehungsweise von bis zu +500 mbar liegen. Insbesondere ist eine typische Grobdruckdifferenz in einem Bereich zwischen ± 200 bis ± 400 mbar gegeben.are, set. The coarse pressure difference ΔP max to be set may be in a range of up to -500 mbar or up to +500 mbar. In particular, a typical coarse pressure difference is given in a range between ± 200 to ± 400 mbar.
Vorzugsweise wird das Drehmoment T des Pumpenantriebs mit steigender Druckdifferenz ZiP zwischen ausgangsseitϊgem Druck Pout und eingangsseitigem Druck P1n und bei zunehmender Pumpendrehzahl reduziert. Das Reduzieren des Drehmoments erfolgt oberhalb eines Drehzahlgrenzwertes Ωv/r, bis zu dem vorzugsweise konstantes Drehmoment herrscht. Der Drehzahlgrenzwert Ωv/r sollte > 0 sein und vorzugsweise unterhalb von 30 Hz liegen. Vorzugsweise ist der Verlauf des Drehmoments oberhalb des Drehzahlgrenzwertes Ωv/f über der Druckdifferenz linear abnehmend. Eine solche Drehmomentreduktion kann bei einem Elektromotor unter Verwendung eines elektronischen Inverters erfolgen, wobei der Wert der Grenzdrehzahl Ωv/r möglichst gering gewählt werden sollte. Mit einem elektronischen Inverter kann eine Grenzdrehzahl Ωv/f von 10 Hz erreicht werden. Die Reduktion des Drehmoments mit steigender Druckdifferenz ist von Vorteil, weil das Drehmoment 7 nach der FormelPreferably, the torque T of the pump drive is reduced with increasing pressure difference ZiP between output-side pressure P out and input-side pressure P 1n and with increasing pump speed. The reduction of the torque occurs above a speed limit Ω v / r, up to which preferably constant torque prevails. The speed limit Ω v / r should be> 0 and preferably below 30 Hz. The course of the torque above the speed limit value Ω v / f over the pressure difference is preferably linearly decreasing. Such a torque reduction can be carried out in an electric motor using an electronic inverter, wherein the value of the limit speed Ω v / r should be chosen as low as possible. With an electronic inverter, a limiting speed Ω v / f of 10 Hz can be achieved. The reduction of the torque with increasing pressure difference is advantageous because the torque 7 according to the formula
T = vv -(^ --Pj/ 36,T = v v - (^ - Pj / 36,
Ω„ maxΩ "max
wobei ~ O ~ in which ~ O ~
Vs die Volumenstromkapazität,Vs the volume flow capacity,
Ωmgχ die maximale Drehzahl der Verdrängerpumpe,Ω mgχ the maximum speed of the positive displacement pump,
Pout der ausgangsseitige Druck und Pin der eingangsseitige DruckP ou t the output side pressure and P in the input side pressure
sind, von dem eingangsseitigen Druck abhängt. Das heißt mit anderen Worten, dass nur ein bestimmtes Drehmoment zum Erreichen eines bestimmten Eingangsdrucks P!n benötigt wird. Da die Leistung P das Produkt des Drehmoments T und der Drehzahl Ω ist, hängt also die Leistung von der Pumpendrehzahl ab. Der herzustellende minimale eingangsseitige Druck Pmιmjπ sol! zur Minimierung der aufzuwendenden Pumpenleistung bei geringst möglicher Drehzahl Ω erreicht werden.are dependent on the input-side pressure. In other words, only a certain torque is needed to reach a certain input pressure P ! N. Since the power P is the product of the torque T and the speed Ω, so the power depends on the pump speed. The minimal input-side pressure P mιm j π sol! to minimize the pump power to be achieved at the lowest possible speed Ω can be achieved.
Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpenvorrϊchtung gemäß Anspruch 9 weist neben der Verdrängerpumpe einen Pumpenantrieb und eine Steuereinrichtung zum Reduzieren der Drehzahl der Verdrängerpumpe gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 auf. Hierbei weist die Verdrängerpumpenvorrichtung vorzugsweise einen Speicher für die herzustellende Druckdifferenz ΔPmax als Teil der Steuereinrichtung auf. Insbesondere weist der Speicher ein Programm zum Einstellen der Drehzahl Ω gemäß der in Anspruch 1 genannten Beziehung auf.The Verdrängerpumpenvorrchtung invention according to claim 9, in addition to the positive displacement pump, a pump drive and a control device for reducing the speed of the positive displacement pump according to the method of claim 1. In this case, the positive displacement pump device preferably has a reservoir for the pressure difference ΔP max to be produced as part of the control device. In particular, the memory has a program for setting the rotational speed Ω according to the relationship mentioned in claim 1.
Der Pumpenantrieb ist vorzugsweise ein Elektromotor und die Steuereinrichtung kann dabei ein elektronischer Inverter sein. Der Elektromotor kann ein Induktionsmotor, ein Reluktanzmotor oder ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. Die Verdrängerpumpe ist vorzugsweise eine Roots-Pumpe oder alternativ eine Klauen-Schrauben-Pumpe oder eine Trocken-Drehschieber-Pumpe. Die Verdrängerpumpe kann einstufig oder mehrstufig ausgebildet sein, wobei die mehreren Stufen unterschiedliche Verdrängungskapazitäten aufweisen können. Die Verdrängerpumpe kann luftgekühlt oder flüssigkeitsgekühlt, zum Beispiel durch Wasser oder Öl, ausgebildet sein. Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiei der Erfindung näher erläutert.The pump drive is preferably an electric motor and the control device may be an electronic inverter. The electric motor may be an induction motor, a reluctance motor or a brushless DC motor. The positive displacement pump is preferably a Roots pump or alternatively a claw screw pump or a dry rotary vane pump. The positive displacement pump may be formed in one or more stages, wherein the plurality of stages may have different displacement capacities. The positive displacement pump may be air-cooled or liquid-cooled, for example by water or oil. In the following an embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 ein Blockschaltbild einer Verdrängerpumpenvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiei undFigure 1 is a block diagram of a Verdrängerpumpenvorrichtung according to the first Ausführungsbeispiei and
Figur 2 ein Leistungsdiagramm für die Verdrängerpumpenvorrichtung nach Figur 1.FIG. 2 shows a performance diagram for the positive-displacement pump device according to FIG. 1.
Die Verdrängerpumpenvorrichtung 16 gemäß Figur 1 besteht aus einer Verdrängerpumpe 10, einem Pumpenantrieb 12 für die Verdrängerpumpe 10 und einer mit dem Pumpenantrieb 12 verbundenen Steuereinrichtung 14. Die Verdrängerpumpe 10 ist eine Roots-Pumpe und der Pumpenantrieb 12 ein Elektromotor. Die Steuereinrichtung 14 ist ein elektronischer Inverter, mit dem die Drehzahl des Pumpenantriebs 12 und der Verdrängerpumpe 10 einstellbar sind.The positive displacement pump device 16 according to FIG. 1 consists of a positive displacement pump 10, a pump drive 12 for the positive displacement pump 10 and a control device 14 connected to the pump drive 12. The positive displacement pump 10 is a Roots pump and the pump drive 12 is an electric motor. The control device 14 is an electronic inverter, with which the rotational speed of the pump drive 12 and the positive displacement pump 10 are adjustable.
An dem saugseitigen Eingang 18 der Verdrängerpumpe 10 liegt in dem Ansaugkanal der Pumpe ein eingangsseitiger Druck Pin an. An dem druckseitigen Ausgang 20 der Verdrängerpumpe 10 liegt in dem Abströmkanal der Verdrängerpumpe 10 ein ausgangsseitiger Druck Pout an. Wie im Folgenden anhand von Figur 2 beschrieben wird, ist die Verdrängerpumpe 10 für die herrschenden Drücke Pin und Pout und für die resultierende Druckdifferenz ΔPmax - Pout ~ Pin überdimensioniert, so dass sich die Leistungsaufnahme 3,4 der Pumpe durch Reduzieren der Drehzahl des Pumpenantriebs 12 und der Verdrängerpumpe 10 mit Hilfe der Steuereinrichtung 14 an die für Gaskompression minimal benötigte Leistung 2 zur Herstellung des Differenzdrucks ΔPmax annähert. Überdimensioniert bedeutet, dass die Pumpe für eine größere Druckdifferenz ausgelegt ist. _ -jAt the suction-side inlet 18 of the positive-displacement pump 10, an inlet-side pressure P in is present in the intake channel of the pump. At the pressure-side outlet 20 of the positive-displacement pump 10, an outlet-side pressure P out is present in the outflow channel of the positive-displacement pump 10. As will be described below with reference to FIG. 2, the positive-displacement pump 10 is oversized for the prevailing pressures P in and P out and for the resulting pressure difference ΔP max -P o u t ~ Pi n , so that the power consumption of the pump 3,4 by reducing the speed of the pump drive 12 and the positive displacement pump 10 by means of the control device 14 to the minimum power required for gas compression 2 for producing the differential pressure ΔP max approximates. Oversized means that the pump is designed for a larger pressure difference. _ -j
In Figur 2 sind auf der Horizontalachse der eingangsseitige Druck P1n in Millibar, auf der rechten Vertikalachse der Volumenstrom V in Kubikmetern pro Stunde und auf der linken Vertikaiachse die resultierende Leistung Pwr in Watt aufgetragen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verdrängerpumpe 10 im Grobpumpbetrieb zur Erzeugung eines Grobvakuums (englisch: rough vacuum) eingesetzt. Hierbei herrscht an dem Pumpenausgang 20 ungefähr atmosphärischer Druck, das heißt Pout beträgt 1000 mbar. Der von der Pumpe herzustellende Druck Pm, mm an dem Pumpeneingang 18 beträgt 700 mbar, das heißt der herzustellende Differenzdruck ΔPmax = Pout - Pm,mm beträgt 300 mbar. Selbstverständlich kann die Pumpe auch zum Erzeugen eines eingangsseϊtigen Drucks P1n von 1300 mbar eingesetzt werden, in welchem Fall der Betrag der herzustellenden Druckdifferenz ΔPmax 300 mbar beträgt.In Figure 2, the input side pressure P 1n in millibars are plotted on the horizontal axis, the volume flow V in cubic meters per hour on the right vertical axis and the resulting power Pwr in watts on the left vertical axis. In the illustrated embodiment, the positive displacement pump 10 is used in coarse pumping operation for generating a rough vacuum (English: rough vacuum). In this case, approximately atmospheric pressure prevails at the pump outlet 20, that is, P out is 1000 mbar. The pressure P m, mm to be produced by the pump at the pump inlet 18 is 700 mbar, that is to say the differential pressure ΔP max = P ou t -Pm, mm to be produced is 300 mbar. Of course, the pump can also be used for generating an input-side pressure P 1n of 1300 mbar, in which case the amount of the pressure difference ΔP max to be produced is 300 mbar.
In Figur 2 ist der Volumenstrom V, der sich in der Verdrängerpumpe 10 während des Betriebes zur Herstellung des eingangsseitigen Druckes P,n>mm einstellt, mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Beim Start der Pumpe herrscht eingangsseϊtig noch atmosphärischer Druck, das heißt P1n - Pout. In diesem Fall ist die resultierende Druckdifferenz ΔP = Pout - P1n - 0. Der Volumenstrom V in der Pumpe ist dann maximal, aiso gleich der Volumenstromkapazität V5 der Verdrängerpumpe 10. Mit eingangsseitig abnehmendem Druck P1n sinkt der geförderte Volumenstrom V linear, bis der eingangsseitige Druck Pιπ,mιπ = 700 mbar erreicht ist. Die herzustellende maximale Druckdifferenz ΔPmax = Pout - Pιn,mm = 300 mbar ist dann erreicht und der von der Verdrängerpumpe 10 geförderte Volumenstrom V = O.In FIG. 2, the volume flow V, which is established in the positive-displacement pump 10 during operation for producing the input-side pressure P, n> mm , is designated by the reference numeral 1. When the pump starts, there is still atmospheric pressure on the input side, ie P 1n - P out . In this case, the resulting pressure difference ΔP = P out -P 1n -0. The volume flow V in the pump is then aiso equal to the volume flow capacity V 5 of the positive displacement pump 10. With decreasing pressure P 1n on the input side, the delivered volume flow V linearly decreases until the input-side pressure P ιπ, mιπ = 700 mbar is reached. The produced maximum pressure difference .DELTA.P m ax = Pout - Pιn, mm = 300 mbar is reached and delivered by the positive displacement pump 10 volume flow V = O.
Die Pumpenleistung der Verdrängerpumpe 10 ist hierbei proportional zu der Druckdifferenz ΔP und in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 3 versehen. Bei eingangsseitigem Druck P,n = Pout und resultierender Druckdifferenz ΔP = 0 ist die Pumpenleistung 3 gleich Null. Sie steigt linear bis zu ihrem Maximum bei erzieltem eingangsseitigem Druck P1n = Pmιmm und resultierender DruckdifferenzThe pump capacity of the positive displacement pump 10 is proportional to the pressure difference .DELTA.P and provided in Figure 2 with the reference numeral 3. At input-side pressure P, n = P out and resulting pressure difference ΔP = 0, the pump power 3 is equal to zero. It increases linearly up to its maximum with the input-side pressure P 1n = P mιmm achieved and the resulting pressure difference
Δ r max ~ ' out ~ ' in, min - Die physikalisch zur Kompression des Gases benötigte Leistung, um die Druckdifferenz ΔPmax herzusteilen, berechnet sich nach der BeziehungΔr max ~ 'out ~' in, min - The power required physically to compress the gas to produce the pressure difference ΔP max is calculated by the relationship
Pwr = V - AP = V • (Pout - P1n).Pwr = V - AP = V • (P out - P 1n).
Hieraus ergibt sich die physikalisch für die Gaskompression minimal benötigte Eingangsleistung der Verdrängerpumpe 10, um die Druckdifferenz ΔPmax herzustellen. Diese physikalische Mϊnimal-Eϊngangsleistung ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Sie ist im Falle minimaler Druckdifferenz AP = O und im Falle minimalen Volumenstroms V = O jeweils Null und verläuft hyperbolisch mit einem Maximum für P,n,mm < Pm < P0UfThis results in the physically required for the gas compression input power of the positive displacement pump 10 to produce the pressure difference .DELTA.P max . This physical minimum output power is designated by the reference numeral 2 in FIG. It is in the case of minimal pressure difference AP = O and in the case of minimal volumetric flow V = O is always zero and runs hyperbolic with a maximum for P, n , mm <Pm <P 0U f
Durch Vergleich des maximalen Leistungsvermögens 3 der Verdrängerpumpe 10 mit der physikalischen Mimmal-Eingangsleistung 2 wird deutlich, dass die Differenz dieser beiden Leistungen mit sinkendem Eingangsdruck P1n zunimmt und insbesondere für große Druckdifferenzen in der Nähe von ΔPmax erheblich ist. Für geringe Druckdifferenzen in der Nähe von AP = O liegt das Pumpenleistungsvermögen 3 hingegen nur geringfügig über der physikalisch benötigten Minimalleistung 2. Bei geringen Druckdifferenzen AP arbeitet die Verdrängerpumpe 10 also am effektivsten und wird mit zunehmenden Druckdifferenzen immer ineffektiver. Aus diesem Grund wurden Verdrängerpumpen 10 bislang nur zur Herstellung oder Aufrechterhaltung lediglich geringer Druckdifferenzen eingesetzt. Für große Druckdifferenzen, die typϊscherweise beim Grobpumpen auftreten, wurden Verdrängerpumpen aufgrund der geringen Effektivität bislang vermieden. Stattdessen werden im Grobpumpbereich typischerweise Seitenkanalverdichter eingesetzt, die jedoch den Nachteil haben, dass sie zur Erlangung ihres Saugvermögens ständig mit konstanter Drehzahl betrieben werden müssen. Eine Drehzahlsteuerung zur Verbesserung der Effektivität von Pumpen schied daher im Grobpumpbereich völlig aus. Die Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass Verdrängerpumpen ein fest umschiossenes Volumen fördern, wobei die Drehzahl der Verdrängerpumpe keinen Einfluss auf das jeweils geförderte umschlossene Volumen hat. Bei Verdrängerpumpen beeinflusst die Drehzahl lediglich den Durchsatz des geförderten umschlossenen Volumens. Dieser Vorteil wird erfindungsgemäß genutzt, um eine an sich überdimensionierte Verdrängerpumpe 10 nicht mit ihrem überdimensionierten Leistungsvermögen 3 zu betreiben, sondern durch Reduzieren der Drehzahl der Verdrängerpumpe 10 die Pumpenleistung 3,4 der physikalisch minima! benötigten Eingangsleistung 2 anzunähern. Mit den bisherigen Grobvakuumpumpen, wie zum Beispiel Seitenkanalverdichtern, ist dies bislang nicht möglich.By comparing the maximum capacity 3 of the positive displacement pump 10 with the physical Mimmal input power 2, it becomes clear that the difference between these two powers increases with decreasing input pressure P 1n and is particularly significant for large pressure differences in the vicinity of ΔP max . For small pressure differences in the vicinity of AP = O, however, the pump performance 3 is only slightly above the physically required minimum power 2. At low pressure differences AP, the positive displacement pump 10 thus works most effectively and is always ineffective with increasing pressure differences. For this reason, positive displacement pumps 10 have hitherto been used only for producing or maintaining only slight pressure differences. For large pressure differences, which typically occur during coarse pumping, positive displacement pumps have been avoided so far due to the low efficiency. Instead, side channel blowers are typically used in the coarse pumping area, but they have the drawback that they always have to be operated at constant speed in order to obtain their pumping speed. A speed control to improve the efficiency of pumps therefore differed completely in the rough pumping. The invention is based on the principle that positive displacement pumps promote a firmly umschiossenes volume, wherein the speed of the positive displacement pump has no influence on the respectively funded enclosed volume. With positive displacement pumps, the speed only affects the throughput of the pumped enclosed volume. This advantage is used according to the invention in order not to operate a per se oversized positive displacement pump 10 with its oversized performance 3, but by reducing the speed of the positive displacement pump 10, the pump power 3.4 of the physical minima! approach required input power 2. With the previous rough vacuum pumps, such as side channel blowers, this is not possible so far.
Die Pumpendrehzahl wird hierbei durch Reduzieren der Drehzahl des Elektromotors 12 mit Hilfe des Inverters 14 reduziert. Hierbei wird die Pumpendrehzahl Ω über die BeziehungThe pump speed is thereby reduced by reducing the speed of the electric motor 12 by means of the inverter 14. Here, the pump speed is Ω on the relationship
eingestellt. Pin ist der jeweils herrschende saugseitige Druck an der Eingangsseite 18 der Verdrängerpumpe 10. Beim Start der Pumpe ist P1n = Poutl so dass ΔP = 0 ist. Mit abnehmendem eingangsseitigem Druck Pin steigt der durch Undichtigkeiten innerhalb der Pumpe verursachte Rückströmungs-Anteil (englisch: back leakage). Hierbei ist C1 die zugehörige Rückströmung (englisch: back leakage conductance) in Kubikmetern pro Stunde. Die Rückströmung Q berechnet sich nachset. P in is the prevailing suction pressure on the input side 18 of the positive displacement pump 10. At the start of the pump, P 1n = P outl so that ΔP = 0. With decreasing input side pressure P in the backflow caused by leaks within the pump increases. Here C 1 is the associated backflow (English: back leakage conductance) in cubic meters per hour. The return flow Q is calculated according to
C7 = (P1n " V5 - Q) / (P0Ut - P1n),C 7 = (P 1n "V 5 -Q) / (P 0 Ut-P 1n ),
wobei Q der Massendurchfluss in Millibar mal Kubikmeter pro Stunde ist. Der Massendurchfluss Q berechnet sich nach Q = Pm * V5 - C1 * (P out - Pm).where Q is the mass flow in millibars times cubic meters per hour. The mass flow rate Q is calculated according to Q = Pm * V 5 - C 1 * (Pout - Pm).
Ausgehend von dem Leistungsvermögen 3 der Verdrängerpumpe 10 Starting from the capacity 3 of the positive displacement pump 10
wird die reduzierte Drehzahl Ω für die Annäherung an die physikalische Minϊmal- Eingangsleistung 2 wie folgt ermittelt:the reduced speed Ω for approaching the minimum physical input power 2 is determined as follows:
Die Volumenstromkapazität V5 der Verdrängerpumpe ist vorgegeben und beträgt bei der Roots-Pumpe des Ausführungsbeispiels 42Qm3/Std. Typϊscherweise besitzen Grobvakuumpumpen eine Volumenstromkapazität im Bereich zwischen 1 und 2000 m3/Std. Der ausgangsseitige Druck Pout ist als atmosphärischer Druck mit 1000 mbar vorgegeben, so dass die Pumpenleistung 3 mit abnehmendem Eingangsdruck P1n ansteigt. Während der eingangsseitige Druck P1n sinkt, nimmt der Einfluss des Rückstroms Q innerhalb der Pumpe zu. Die Volumenstromkapazität V5 = 420m3/Std. wird bei maximaler Drehzahl Ωmax = 100 Hz erreicht. Durch Reduzieren der Drehzahl kann eine reduzierteThe volume flow capacity V 5 of the positive displacement pump is predetermined and is in the Roots pump of the embodiment 42Qm 3 / hr. Typically, rough vacuum pumps have a volumetric flow capacity in the range between 1 and 2000 m 3 / hr. The output-side pressure P ou t is specified as the atmospheric pressure of 1000 mbar, so that the pump power 3 increases with decreasing input pressure P 1n . As the input side pressure P 1n decreases, the influence of the backflow Q within the pump increases. The volume flow capacity V 5 = 420m 3 / hr. is reached at maximum speed Ω max = 100 Hz. By reducing the speed can be a reduced
F., - Ω Volumenstromkapazität von — erlangt werden. maxF., - Ω volume flow capacity of - be obtained. Max
Das Pumpendrehmoment T (englisch : torque) berechnet sich nachThe pump torque T (English: torque) is calculated according to
T = Pwr/ΩT = Pwr / Ω
und unter Berücksichtigung vonand considering
Pw T = V5 ® Δ P/36Pw T = V 5 ® Δ P / 36
für das reduzierte Drehmoment zu niaxfor the reduced torque too niax
Hieraus ist ersichtlich, dass der eingangsseitige Druck Pjn von dem aufgebrachten Drehmoment T abhängt. Dieser Zusammenhang kann genutzt werden, indem die inhärente Stromsteuerung eines elektronischen Inverters 14 genutzt wird, um über eine Steuerung des Stroms in einem elektrischen Motor 12 das Drehmoment T zu steuern. Mit dem Inverter 14 wird das Drehmoment T des Pumpenantriebs 12 mit steigendem Differenzdruck AP und mit steigender Pumpendrehzahl oberhalb einer Grenzdrehzahi Ωv/f von 10 Hz kontinuierlich reduziert. Der Drehmomentverlauf des Inverters ist bis zu der Grenzdrehzah! Ωv/f konstant und fällt oberhalb der Grenzdrehzahl Ωv/f linear bis auf 0 ab. Dies ist von Vorteil, weil das Drehmoment gemäß obiger Gleichung von dem Eingangsdruck P abhängt, so dass zum Erreichen eines bestimmten Eingangsdrucks Pin nur ein bestimmtes Drehmoment benötigt wird.It can be seen that the input-side pressure Pj n depends on the applied torque T. This relationship can be exploited by utilizing the inherent current control of an electronic inverter 14 to control torque T via control of the current in an electric motor 12. With the inverter 14, the torque T of the pump drive 12 with increasing differential pressure AP and with increasing pump speed above a Grenzdrehzahi Ω v / f of 10 Hz is continuously reduced. The torque curve of the inverter is up to the limit speed! Ω v / f constant and falls above the limit speed Ω v / f linearly to 0 from. This is advantageous because the torque according to the above equation depends on the input pressure P , so that in order to reach a certain input pressure P in only a certain torque is needed.
Da die Leistung P als Produkt von Drehmoment T und Drehzahl Ω auch von der Pumpendrehzahl abhängt, wird zunächst die Drehzahl Ω der Verdrängerpumpe 10 derart eingestellt, dass der herzustellende minimale Eingangsdruck P^min bei geringst möglicher Drehzahl Ω erreicht wird, um die aufzuwendende Pumpenleistung 3,4 zu minimieren. Beim Betrieb der Verdrängerpumpe 10 mit dieser reduzierten Drehzahl Ω wird dann der oben beschriebene Drehmomentverlauf mit kontinuierlich sinkendem Drehmoment verwendet, um die Leistungsaufnahme 4 der Verdrängerpumpe 10 an die physikalisch minimal benötigte Leistung 2 anzunähern.Since the power P as a product of torque T and speed Ω also depends on the pump speed, the rotational speed Ω of the positive displacement pump 10 is initially set in such a way that the minimum input pressure P 1 m i n to be produced is attained at the lowest possible rotational speed Ω in order to achieve the required torque Pump power 3.4 to minimize. When operating the positive displacement pump 10 with this reduced speed Ω, the torque curve with continuously decreasing torque described above is then used to approximate the power consumption 4 of the positive displacement pump 10 to the physically minimum required power 2.
Bei minimalem Eingangsdruck Pm,mm, wenn der Volumenstrom V = O ist, ist der eingangsseitige DruckAt minimum inlet pressure Pm, mm, when the volumetric flow V = O, is the input side pressure
p. = p. ^ P 36 T Ω^ in in, min out -\ τp. = p. ^ P 36 T Ω ^ in in, min out - \ τ
VS Unter Berücksichtigung des Volumen rückstroms C1 gilt für den Fall, dass der Volumenstrom V = O ist, V S Taking into account the volume of return flow C 1 , in the event that the volume flow V = O,
Hieraus lässt sich die Drehzahl Ω bestimmen, für die die Pumpenleistung unter Berücksichtigung des Volumenrückstroms C1 durch Leckagen innerhalb der Pumpe an die physikalische Minimal-Eingangsleistung 2 angenähert ist. Hierbei ist P!n die angenäherte Pumpeneingangsleistung 4, die sich von der physikalischen Minimal-Eingangsleistung 2 durch den Volumenrückstrom Q innerhalb der Pumpe unterscheidet. Die angenäherte Pumpeneingangsleistung ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Die angenäherte Pumpeneingangsleistung 4 wird bei der DrehzahlFrom this it is possible to determine the speed Ω for which the pump power, taking into account the volume return flow C 1, is approximated by leakages within the pump to the minimum physical input power 2. Here, P ! N is the approximate pump input power 4, which differs from the minimum physical input power 2 by the volume backflow Q within the pump. The approximated pump input power is provided with the reference numeral 4 in FIG. The approximate pump input power 4 becomes at the speed
erreicht. Wie Figur 2 zeigt, ist die reduzierte Pumpeneingangsleistung 4 gegenüber der Pumpenleistung 3 bei Maximaldrehzahl Ωmax der Verdrängerpumpe 10 deutlich an die physikalische Minimal-Eingangsleistung 2 angenähert. Das heißt mit anderen Worten, dass die Verdrängerpumpe 10 bei der reduzierten Drehzahl Ω deutlich effektiver arbeitet als bei der Maximaldrehzahl Ωmax. Eine entsprechend überdimensionierte Verdrängerpumpe 10, die bei verminderter Drehzahl Ω gemäß obiger Beziehung betrieben wird, arbeitet effektiver als eine herkömmliche Grobvakuumpumpe, wie zum Beispiel ein Seitenkanalverdichter. reached. As FIG. 2 shows, the reduced pump input power 4 compared to the pump power 3 at maximum speed Ω max of the positive displacement pump 10 is clearly approximated to the minimum physical input power 2. In other words, that means that the positive displacement pump 10 operates much more effectively at the reduced speed Ω than at the maximum speed Ω max . A correspondingly oversized positive displacement pump 10 operating at reduced speed Ω according to the above relationship operates more effectively than a conventional roughing pump, such as a side channel compressor.

Claims

Patentansprüche claims
1. Grobpumpverfahren für eine Verdrängerpumpe (10), zum Herstellen eines maximalen Differenzdrucks (ΔPmax) zwischen dem Eingang (18) und dem Ausgang (20) der Verdrängerpumpe (10), wobei die Drehzahl (Ω) der Verdrängerpumpe (10) derart an den herzustellenden maximalen Differenzdruck {ΔPmax) angepasst wird, dass sich die Leistungsaufnahme (3,4) der Verdrängerpumpe (10) an die für die Gaskompression minimal benötigte Leistung (2) zur Herstellung des maximalen Differenzdrucks {ΔPmax) annähert.1. Coarse pumping method for a positive displacement pump (10), for establishing a maximum differential pressure (ΔP max ) between the input (18) and the output (20) of the positive displacement pump (10), wherein the rotational speed (Ω) of the positive displacement pump (10) in such a way is adapted to the maximum pressure to be produced {.DELTA.P max ) that the power consumption (3,4) of the positive displacement pump (10) to the minimum power required for the gas compression (2) for the production of the maximum differential pressure {.DELTA.P max ) approaches.
2. Grobpumpverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (Ω) zum Erreichen des maximalen Differenzdrucks {ΔPmax) über2. rough pumping method according to claim 1, characterized in that the speed (Ω) to reach the maximum differential pressure {.DELTA.P max ) via
die Beziehung 3 O ,I wobei the relation 3 O, I where
V5 die Volumenstrom-Pumpkapazität der Verdrängerpumpe,V 5 is the volume flow pump capacity of the positive displacement pump,
C1 der Leckagen bedingte Volumen-Rückstrom innerhalb der Pumpe,C 1 leakage leakage volume flow within the pump,
Pout der ausgangsseitige Druck der Verdrängerpumpe,P out the output side pressure of the positive displacement pump,
Pin,min der herzustellende minimale eingangsseitige Druck der Verdrängerpumpe mit ΔPmax = Pout - Pin,min undPi n, m i n the minimum input side pressure of the positive displacement pump with ΔP max = P out - P in , m in and
Ωmax die maximale Drehzahl der Verdrängerpumpe mit Ω < Ωmax Ω max is the maximum speed of the positive displacement pump with Ω <Ω max
sind, eingestellt wird. are, is set.
3. Grobpumpverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment (T) des Pumpenantriebs (12) mit steigendem Differenzdruck und mit steigender Pumpendrehzahl oberhalb einer Grenzdrehzahl (Ωv/f) kontinuierlich reduziert wird, wobei O ≤ Ωv/f ≤ 30 Hz.3. Coarse pumping method according to claim 1 or 2, characterized in that the torque (T) of the pump drive (12) with increasing differential pressure and with increasing pump speed above a limit speed (Ω v / f ) is continuously reduced, where O ≤ Ω v / f ≤ 30 Hz.
4. Grobpumpverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von ausgangsseitϊgem Druck (Pout) zu eingangsseitigem Druck (P1n) der Verdrängerpumpe bei maximal möglicher Drehzahl (Ωmaχ) der Verdrängerpumpe größer als 3 ist und insbesondere kleiner als 10 ist.4. rough pumping method according to one of claims 1-3, characterized in that the ratio of Ausgangsseititϊgem pressure (P ou t) to input-side pressure (P 1n ) of the positive displacement pump at maximum possible speed (Ω maχ ) of the positive displacement pump is greater than 3, and in particular is less than 10.
5. Grobpumpverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des herzustellenden Differenzdrucks (ΔPmax) im Bereich von bis zu 1000 mbar liegt.5. rough pumping method according to one of claims 1 - 4, characterized in that the amount of the differential pressure to be produced (.DELTA.P max ) is in the range of up to 1000 mbar.
6. Grobpumpverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des herzustellenden Differenzdrucks (ΔPmax) im Bereich von bis zu 500 mbar und insbesondere in einem Bereich zwischen 200 und 400 mbar liegt.6. Coarse pumping method according to claim 5, characterized in that the amount of the differential pressure to be produced (ΔP max ) is in the range of up to 500 mbar and in particular in a range between 200 and 400 mbar.
7. Grobpumpverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (Ω) durch Verwenden eines elektronischen Inverters bei einem Elektromotor als Pumpenantrieb reduziert wird.7. Coarse pumping method according to one of claims 1-6, characterized in that the rotational speed (Ω) is reduced by using an electronic inverter in an electric motor as a pump drive.
8. Grobpumpverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Induktionsmotor, ein Reluktanzmotor oder ein bürstenloser Gleichstrommotor ist. 8. Coarse pumping method according to claim 7, characterized in that the electric motor is an induction motor, a reluctance motor or a brushless DC motor.
9. Grobpumpverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe eine Roots-Pumpe, eine Klauen-Schrauben-Pumpe oder eine Trocken-Drehschieber-Pumpe ist.9. rough pumping method according to one of claims 1-8, characterized in that the positive displacement pump is a roots pump, a claw screw pump or a dry rotary vane pump.
10. Grobpumpverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe eine Mehrstufenverdrängerpumpe mit mindestens zwei Pumpstufen ist.10. rough pumping method according to one of claims 1-9, characterized in that the positive displacement pump is a Mehrstufenverdrängerpumpe with at least two pumping stages.
11. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) zum Herstellen einer Grobdruckdifferenz (ΔPmax) zwischen dem Eingang (18) und dem Ausgang (20) einer Verdrängerpumpe (10), mit einem Pumpenantrieb (12) und mit einer Steuereinrichtung (14) zum Anpassen der Drehzahl (Ω) der Verdrängerpumpe an den herzustellenden maximalen Differenzdruck (ΔPmax), derart, dass sich die Leistungsaufnahme (3,4) der Pumpe (10) an die für die Gaskompression minima! benötigte Leistung (2) zur Herstellung des maximalen Differenzdrucks {ΔPmax) annähert.11. positive displacement pump device (16) for establishing a coarse pressure difference (ΔP max ) between the input (18) and the output (20) of a positive displacement pump (10), with a pump drive (12) and with a control device (14) for adjusting the rotational speed ( Ω) of the positive displacement pump to the maximum differential pressure to be produced (ΔP max ), such that the power consumption (3,4) of the pump (10) to the minima for the gas compression! required power (2) to produce the maximum differential pressure {ΔP max ) approximates.
12. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (14) einen Speicher für den herzustellenden Differenzdruck (ΔPmax) aufweist.12. positive displacement pump device (16) according to claim 11, characterized in that the control device (14) has a memory for the differential pressure to be produced (.DELTA.P max ).
13. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher ein Programm zum Bestimmen der13. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) according to claim 12, characterized in that the memory is a program for determining the
reduzierten Drehzahl (Ω) über die Beziehung wobei reduced speed (Ω) over the relationship where
V5 die Volumenstrom-Pumpkapazϊtät der Verdrängerpumpe,V 5 is the volume flow pump capacity of the positive displacement pump,
Q der Leckagen bedingte Volumen-Rückstrom innerhalb der Pumpe,Q is the leakage volume return flow within the pump,
Pout der ausgangsseitige Druck der Verdrängerpumpe, Pin,min der herzustellende minimale eingangsseitige Druck der Verdrängerpumpe mit ΔPmax = Pout - Pm,mm undP out the output side pressure of the positive displacement pump, Pi n , m i n to be produced minimum input side pressure of the positive displacement pump with ΔP max = P out - Pm , mm and
Ωmax die maximale Drehzahl der Verdrängerpumpe mit Ω < Ωmax Ω max is the maximum speed of the positive displacement pump with Ω <Ω max
sind, aufweist.are, has.
14. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (14) eine Drehmomentreduziereinrichtung zum kontinuierlichen Reduzieren des Drehmoments (T) des Pumpenantriebs (12) bei steigendem Differenzdruck (ΔP) und bei steigender Pumpendrehzahl oberhalb einer Grenzdrehzah! (Ωv/f) ist.14. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) according to any one of claims 11-13, characterized in that the control device (14) has a torque reducing means for continuously reducing the torque (T) of the pump drive (12) with increasing differential pressure (.DELTA.P) and with increasing pump speed above a Grenzdrehzah! (Ω v / f ).
15. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 11 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe (10) bei ihrer maximalen Drehzahl (Ωmax) ein Verhältnis von ausgangsseitigem Druck (Pout) zu eingangsseitigem Druck (P1n) von mindestens 3 und insbesondere von maximal 10 aufweist.15. positive displacement pump device (16) according to any one of claims 11-14, characterized in that the positive displacement pump (10) at its maximum speed (Ω max ) a ratio of output pressure (P o u t ) to input-side pressure (P 1n ) of has at least 3 and in particular of at most 10.
16. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 11 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der herzustellenden Grobdruckdifferenz (ΔPmax) im Bereich von bis zu 1000 mbar liegt.16. positive displacement pump device (16) according to any one of claims 11 - 15, characterized in that the amount of coarse pressure difference to be produced (.DELTA.P max ) is in the range of up to 1000 mbar.
17. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 11 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der herzustellenden Grobdruckdifferenz (ΔPmax) im Bereich von bis zu 500 mbar und insbesondere in einem Bereich zwischen 200 und 400 mbar liegt. 17. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) according to any one of claims 11-16, characterized in that the amount of coarse pressure difference to be produced (.DELTA.P max ) in the range of up to 500 mbar and in particular in a range between 200 and 400 mbar.
18. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 11 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenantrieb (12) ein Elektromotor und die Drehzahlreduziereinrichtung (14) ein elektronischer Inverter sind.18. positive displacement pump device (16) according to any one of claims 11-17, characterized in that the pump drive (12) is an electric motor and the speed reduction means (14) is an electronic inverter.
19. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Induktionsrnotor, ein Reluktanzmotor oder ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.19. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) according to claim 18, characterized in that the electric motor is a Induktionsrnotor, a reluctance motor or a brushless DC motor.
20. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 11 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe eine Roots-Pumpe, eine Klauen-Schrauben-Pumpe oder eine Trocken-Drehschieber-Pumpe ist.20. positive displacement pump device (16) according to any one of claims 11 - 19, characterized in that the positive displacement pump is a Roots pump, a claw screw pump or a dry rotary vane pump.
21. Verdrängerpumpenvorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 11 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe eine Mehrstufenverdrängerpurnpe mit mindestens zwei Pumpstufen is. 21. positive displacement pump device (16) according to any one of claims 11 - 20, characterized in that the positive displacement pump is a Mehrstufenverdrängerpurnpe with at least two pumping stages.
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