EP3029324B1

EP3029324B1 - Vakuumeinrichtung

Info

Publication number: EP3029324B1
Application number: EP15197560.4A
Authority: EP
Inventors: Sebastian Oberbeck; Armin Conrad
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: DE102014117793A1; EP3029324A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumeinrichtung, insbesondere Vakuumpumpe, mit wenigstens einem Membranventil, über das ein Medium in einer Saugphase eingesaugt und/oder in einer Kompressionsphase ausgestoßen wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vakuumeinrichtung.
Bei den bisher bekannten Vakuumeinrichtungen dieser Art besteht das Problem, dass unter bestimmten Bedingungen der vorhandene Druck nicht mehr ausreicht, um die Membranventile zu öffnen. So wird dadurch beispielsweise bei einer Membranpumpe der maximale Enddruck auf etwa 10 mbar begrenzt.
In der EP 2 354 546 A1 ist eine Membranvakuumpumpe mit einer Einlassventilanordnung und einer Auslassventilanordnung beschrieben, bei der jeweilige Ventilkörper mittels eines jeweiligen Aktuators unterstützend bewegt werden können. Die Aktuatoren können elektrisch beaufschlagbar und insbesondere als Piezoaktuator oder magnetostriktiver Aktuator ausgebildet sein. Zur Vermeidung bestimmter Nachteile herkömmlicher gummielastischer Ventile sind die betreffenden Ventilkörper der Einlass- und Auslassventilanordnungen relativ voluminös ausgeführt, woraus sich ergibt, dass es sich hierbei nicht um Membranen handelt.
In der DE 10 2008 033 153 A1 ist eine Membranpumpe beschrieben, die beispielsweise zum Pumpen von geringen Flüssigkeitsmengen vorgesehen ist. Die Membranpumpe weist Ventile auf, die mit einem jeweiligen Antriebselement flächig verbunden sind. Mittels eines äußeren elektrischen oder magnetischen Feldes ist die geometrische Form des Antriebselements 12 derart veränderbar, dass zwischen dem Antriebselement und dem jeweiligen Ventil eine mechanische Spannung und hieraus eine resultierende Verformung des Ventils auftritt, die ein Öffnen bzw. Schließen des Ventils zumindest begünstigen soll. Die Ventile sind bevorzugt aus einem elastischen Material gebildet. Es handelt sich hierbei um elastische Ventilplättchen, die lediglich indirekt durch eine durch ein jeweiliges Antriebselement bewirkte Verformung und damit mechanisch beaufschlagbar sind.
In der US 2006/147329 A1 ist eine Pumpe beschrieben, bei der es sich beispielsweise um eine Membranpumpe handeln kann. Die Pumpe ist mit aktiven Ventilen versehen, die jeweils einem Einlass oder Auslass der Pumpe zugeordnet sein können, um diesen wahlweise zu schließen oder freizugeben. Ein jeweiliges aktives Ventil kann beispielsweise mit einem piezoelektrischen Element, beispielsweise einem piezokeramischen Film, versehen sein, das zum Schließen und Öffnen auf eine entsprechende Spannung anspricht. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen ein jeweiliges aktives Ventil magnetisch betätigbar ist. Dabei kann ein jeweiliges magnetisch betätigbares aktives Ventil unter anderem aus flexiblem Material gebildet und mit elektrischen Leitern zur Bildung eines Magnetfeldes versehen sein. Es sind auch Magnet-Aktuatoren zur Betätigung der aktiven Ventile möglich. Bei einigen Anwendungen werden die aktiven Ventile dadurch betätigt, dass in den Ventilen integrierte Stromkreise mit Strom beaufschlagt werden. Die gegebenenfalls flexiblen aktiven Ventile sind zwar verformbar, jedoch jeweils nur einseitig eingespannt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumeinrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen unabhängig vom jeweiligen Druck stets ein zuverlässiges Öffnen der Membranventile gewährleistet ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe bezüglich der Vakuumeinrichtung dadurch gelöst, dass das Membranventil zur Unterstützung einer Öffnungs- und/oder Schließbewegung magnetisch oder elektromagnetisch beaufschlagbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe bezüglich der Vakuumeinrichtung dadurch gelöst, dass das Membranventil zur Unterstützung seiner Öffnungs- und/oder Schließbewegung elektrisch oder elektrostatisch beaufschlagbar ist.
Aufgrund dieser Lösungen ist auf einfache Weise unabhängig vom jeweiligen Druck stets ein zuverlässiges Öffnen der Membranventile gewährleistet. Mit der erfindungsgemäßen magnetischen, elektromagnetischen, elektrischen und/oder elektrostatischen Unterstützung der Öffnungsbewegungen der Membranventile und dem damit einhergehenden verbesserten Öffnungsverhalten der Membranventile wird beispielsweise bei einer Membranpumpe ein tieferer Enddruck erreicht.
Das Membranventil ist bevorzugt zeitlich abgestimmt auf den Betrieb der Vakuumeinrichtung, insbesondere synchron mit der Beaufschlagung eines Schöpfraums der als Vakuumpumpe ausgebildeten Vakuumeinrichtung, beaufschlagbar. Durch eine solche zeitliche Abstimmung kann beispielsweise bei einer Vakuumpumpe also sichergestellt werden, dass die Unterstützung der Öffnungsbewegung eines Einlassventils mit der Saugphase und die Öffnungsbewegung eines Auslassventils mit der Kompressionsphase synchronisiert wird.
Bevorzugt ist sowohl die Öffnungsbewegung als auch die Schließbewegung des Membranventils durch die Beaufschlagung unterstützbar.
Grundsätzlich sind jedoch auch solche Ausführungen der erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung denkbar, bei der ausschließlich die Öffnungsbewegung des Membranventils durch die Beaufschlagung unterstützbar ist.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung erfolgt die durch die Beaufschlagung unterstützte Öffnungsbewegung des Membranventils gegen eine Rückstellkraft, insbesondere gegen eine das Membranventil in dessen geschlossene Stellung vorspannende Schließkraft, die bevorzugt mechanisch und insbesondere durch die Membraneigenspannung oder mittels einer Federeinrichtung bereitgestellt ist. In einem solchen Fall erfolgt das Schließen der Membranventile durch die betreffende Rückstellkraft. Eine zusätzliche Unterstützung der Schließbewegung ist hier nicht erforderlich.
Zur Beaufschlagung des Membranventils ist bevorzugt wenigstens ein elektrisch beaufschlagbarer Erreger, insbesondere eine Elektrode oder ein Elektromagnet vorgesehen. Ein solcher Erreger ist zweckmäßigerweise in einem Kopfabschnitt der Vakuumeinrichtung angeordnet.
Bevorzugt umfasst das Membranventil eine magnetische und/oder magnetisierbare Ventilmembran.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung weist das Membranventil eine Ventilmembran auf, die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das mit magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln dotiert ist.
Das Membranventil kann insbesondere auch eine Ventilmembran aufweisen, die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das Fluorkautschuk ist oder enthält.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung weist das Membranventil eine Ventilmembran auf, die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das ein elektro- oder magnetorheologisches Elastomer oder ein dielektrisches Elastomer ist oder enthält.
Die Vakuumeinrichtung kann beispielsweise als Vakuumpumpe ausgebildet sein, insbesondere als Membranvakuumpumpe oder als Kolbenvakuumpumpe, wobei die Vakuumpumpe einen insbesondere über eine Pumpenmembran oder einen Kolben beaufschlagbaren Schöpfraum und wenigstens ein Einlassmembranventil sowie wenigstens ein Auslassmembranventil aufweist, über die ein Medium in einer Saugphase in den Schöpfraum gesaugt und in einer Kompressionsphase aus dem Schöpfraum ausgestoßen wird, und wobei die Öffnungsbewegung und/oder die Schließbewegung des Einlassmembranventils und/oder des Auslassmembranventils durch dessen Beaufschlagung unterstützbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Vakuumeinrichtung, insbesondere einer Vakuumpumpe, die wenigstens ein Membranventil aufweist, über das ein Medium in einer Saugphase eingesaugt und/oder in einer Kompressionsphase ausgestoßen wird, zeichnet sich dadurch aus, dass das Membranventil zur Unterstützung seiner Öffnungs- und/oder Schließbewegung magnetisch, elektromagnetisch, elektrisch und/oder elektrostatisch beaufschlagt wird.
Dabei erfolgt die Beaufschlagung des Einlassmembranventils und/oder des Auslassmembranventils bevorzugt zeitlich abgestimmt auf den Betrieb der Vakuumeinrichtung, insbesondere synchron mit der Beaufschlagung eines Schöpfraums der als Vakuumpumpe ausgebildeten Vakuumeinrichtung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Membranpumpe als Beispiel einer Vakuumeinrichtung, in der erfindungsgemäße Membranventile einsetzbar sind,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Einlass- und Auslassmembranventile einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung in der Saug- bzw. Kompressionsphase, und
Fig. 3: eine schematische Darstellung der Einlass- und Auslassmembranventile einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung in der Saug- bzw. Kompressionsphase.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Membranpumpe 10 als Beispiel einer Vakuumeinrichtung, in der erfindungsgemäße Membranventile einsetzbar sind.
Die Membranpumpe 10 umfasst einen über eine Pumpenmembran 12 beaufschlagbaren Schöpfraum 14 sowie ein Einlass- und ein Auslassventil, die durch ein erfindungsgemäßes Einlassmembranventil 16 bzw. ein erfindungsgemäßes Auslassmembranventil 18 gebildet sein können, wie sie weiter unten näher beschrieben werden und zur Unterstützung deren Öffnungs- und/oder Schließbewegung entsprechend magnetisch, elektromagnetisch, elektrisch oder elektrostatisch beaufschlagbar sind.
Über die Membranventile 16, 18 wird ein Medium wie insbesondere Gas in einer Saugphase in den Schöpfraum 14 gesaugt und in einer Kompressionsphase aus dem Schöpfraum 14 ausgestoßen.
Die Membranpumpe 10 umfasst ein Gehäuse 20 sowie einen Kopfabschnitt oder Kopfdeckel 22, zwischen denen die Pumpenmembran 12 eingespannt ist.
Der Schöpfraum 14 wird vom Kopfabschnitt bzw. Kopfdeckel 22 und der Pumpenmembran 12 begrenzt, die beispielsweise über einen von einer Kurbelwelle angetriebenen Pleuel 24 bewegt wird.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung das Einlassmembranventil 16 und das Auslassmembranventil 18 einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung in der Saug- bzw. Kompressionsphase, bei der das Einlassmembranventil 16 und das Auslassmembranventil 18 jeweils sowohl zur Unterstützung deren Öffnungsbewegung als auch zur Unterstützung deren Schließbewegung magnetisch, elektromagnetisch, elektrisch oder elektrostatisch beaufschlagbar sind. Dabei ist den Membranventilen 16, 18 zur entsprechenden Beaufschlagung jeweils ein Erreger 30 bzw. 32 zugeordnet, bei denen es sich insbesondere jeweils um einen Elektromagneten oder eine Elektrode handeln kann.
In den Fällen, in denen die Vakuumeinrichtung beispielsweise eine Membranpumpe 10 (vgl. Fig. 1) umfasst, können das Einlassmembranventil 16 und das Auslassmembranventil 18 insbesondere im Kopfabschnitt bzw. Kopfdeckel 22 der betreffenden Membranpumpe 10 angeordnet sein.
In der Saugphase wird die Pumpenmembran 12 in Saugrichtung 26 von den Membranventilen 16, 18 weg bewegt. Dagegen wird die Pumpenmembran 12 in der Kompressionsphase in Kompressionsrichtung 28 zu den Membranventilen 16 hin bewegt.
Die Membranventile 16, 18 können zeitlich abgestimmt auf den Betrieb der Vakuumeinrichtung und insbesondere synchron mit der Beaufschlagung eines Schöpfraums 14 einer als Vakuumpumpe 10 (vgl. Fig. 1) ausgebildeten Vakuumeinrichtung beaufschlagbar sein. Die Beaufschlagung kann somit synchron zur Beaufschlagung des Schöpfraums 14 über die Pumpenmembran 12 erfolgen und gegebenenfalls im Pumprhythmus der betreffenden Vakuumpumpe 10 variieren.
Die Membranventile 16, 18 können beispielsweise auch eine Ventilmembran 16a bzw. 18a aufweisen, die magnetisch und/oder magnetisierbar ist, die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das mit magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln dotiert ist, die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das Fluorkautschuk ist oder enthält, oder die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das ein elektro- oder magnetorheologisches Elastomer oder ein dielektrisches Elastomer ist oder enthält.
Grundsätzlich sind auch solche Ausführungen denkbar, bei denen ausschließlich die Öffnungsbewegung eines jeweiligen Membranventils 16, 18 durch die Beaufschlagung unterstützbar ist.
Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung das Einlassmembranventil 16 sowie das Auslassmembranventil 18 einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung in der Saug- bzw. Kompressionsphase. Im vorliegenden Fall sind die Einlass- und Auslassmembranventile 16, 18 über zugeordnete Erreger 40, 42 jeweils nur zur Unterstützung deren Öffnungsbewegung beaufschlagbar, wobei die durch die Beaufschlagung unterstützte Öffnungsbewegung gegen eine Rückstellkraft erfolgt. Dabei kann die durch die Beaufschlagung unterstützte Öffnungsbewegung der Membranventile 16, 18 insbesondere jeweils gegen eine das Membranventil 16, 18 in dessen geschlossene Stellung vorspannende Schließkraft erfolgen, die bevorzugt mechanisch und insbesondere durch die Membraneigenspannung oder mittels einer Federeinrichtung 44, 46 bereitgestellt ist.
Auch im vorliegenden Fall können die Membranventile 16, 18 durch die Erreger 40, 42 wieder magnetisch, elektromagnetisch, elektrisch oder elektrostatisch beaufschlagbar sein. Bei den Erregern 40, 42 kann es sich entsprechend insbesondere wieder um Elektroden oder Elektromagnete handeln. Die Erreger können insbesondere wieder im Kopfabschnitt bzw. Kopfdeckel 22 (vgl. zum Beispiel Fig. 1) der betreffenden Vakuumeinrichtung 10 angeordnet sein.
Zumindest eines der Membranventile 16, 18 kann beispielsweise auch wieder eine magnetische und/oder magnetisierbare Ventilmembran 16a, 18a oder eine Ventilmembran 16a, 18a aufweisen, die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das mit magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln dotiert ist, die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das Fluorkautschuk ist oder enthält, und/oder die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das ein elektro- oder magnetorheologisches Elastomer oder ein dielektrisches Elastomer ist oder enthält.
Im Übrigen kann diese in der Fig. 3 dargestellte Vakuumeinrichtung zumindest im Wesentlichen wieder den gleichen Aufbau besitzen wie die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform, wobei einander entsprechenden Teilen gleiche Bezugszeichen zugeordnet sind.
Wie bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vakuumeinrichtung beispielsweise als Vakuumpumpe 10, insbesondere Membranvakuumpumpe oder als Kolbenvakuumpumpe ausgebildet sein, die einen insbesondere über eine Pumpenmembran 12 oder einen Kolben beaufschlagbaren Schöpfraum 14 und wenigstens ein Einlassmembranventil 16 sowie wenigstens ein Auslassmembranventil 18 aufweist, über die ein Medium in einer Saugphase in den Schöpfraum 14 gesaugt und in einer Kompressionsphase aus dem Schöpfraum 14 ausgestoßen wird, wobei die Öffnungsbewegung und/oder die Schließbewegung des Einlassmembranventils 16 und/oder des Auslassmembranventils 18 durch dessen Beaufschlagung unterstützbar ist.

Bezugszeichenliste

10: Vakuumeinrichtung, Membranpumpe
12: Pumpenmembran
14: Schöpfraum
16: Einlassmembranventil
16a: Ventilmembran
18: Auslassmembranventil
18a: Ventilmembran
20: Gehäuse
22: Kopfabschnitt, Kopfdeckel
24: Pleuel
26: Saugrichtung
28: Kompressionsrichtung
30: Erreger
32: Erreger
40: Erreger
42: Erreger
44: Feder
46: Feder

Claims

Vakuumeinrichtung, insbesondere Vakuumpumpe (10), mit wenigstens einem Membranventil (16, 18), über das ein Medium in einer Saugphase eingesaugt und/oder in einer Kompressionsphase ausgestoßen wird, wobei das Membranventil (16, 18) zur Unterstützung seiner Öffnungs- und/oder Schließbewegung magnetisch oder elektromagnetisch beaufschlagbar ist.
Vakuumeinrichtung, insbesondere Vakuumpumpe (10), mit wenigstens einem Membranventil (16, 18), über das ein Medium in einer Saugphase eingesaugt und/oder in einer Kompressionsphase ausgestoßen wird, wobei das Membranventil (16, 18) zur Unterstützung seiner Öffnungs- und/oder Schließbewegung elektrisch oder elektrostatisch beaufschlagbar ist.
Vakuumeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,dass das Membranventil (16, 18) zeitlich abgestimmt auf den Betrieb der Vakuumeinrichtung, insbesondere synchron mit der Beaufschlagung eines Schöpfraums (14) der als Vakuumpumpe (10) ausgebildeten Vakuumeinrichtung, beaufschlagbar ist.
Vakuumeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Öffnungsbewegung als auch die Schließbewegung des Membranventils (16, 18) durch die Beaufschlagung unterstützbar ist.
Vakuumeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Öffnungsbewegung des Membranventils (16, 18) durch die Beaufschlagung unterstützbar ist.
Vakuumeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Beaufschlagung unterstützte Öffnungsbewegung des Membranventils (16, 18) gegen eine Rückstellkraft erfolgt, insbesondere gegen eine das Membranventil (16, 18) in dessen geschlossene Stellung vorspannende Schließkraft, die bevorzugt mechanisch und insbesondere durch die Membraneigenspannung oder mittels einer Federeinrichtung (44, 46) bereitgestellt ist.
Vakuumeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung des Membranventils (16, 18) wenigstens ein elektrisch beaufschlagbarer Erreger (30, 32, 40, 42), insbesondere eine Elektrode oder ein Elektromagnet, vorgesehen ist.
Vakuumeinrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Erreger (30, 32) in einem Kopfabschnitt (22) der Vakuumeinrichtung (10) angeordnet ist.
Vakuumeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet dass das Membranventil (16, 18) eine magnetische und/oder magnetisierbare Ventilmembran (16a, 18a) aufweist.
Vakuumeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet dass das Membranventil (16, 18) eine Ventilmembran (16a, 18a) aufweist, die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das mit magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln dotiert ist.
Vakuumeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet dass das Membranventil (16, 18) eine Ventilmembran (16a, 18a) aufweist, die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das Fluorkautschuk ist oder enthält.
Vakuumeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet dass das Membranventil (16, 18) eine Ventilmembran (16a, 18a) aufweist, die ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das ein elektro- oder magnetorheologisches Elastomer oder ein dielektrisches Elastomer ist oder enthält.
Vakuumeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumeinrichtung als Vakuumpumpe (10) ausgebildet ist, insbesondere als Membranvakuumpumpe oder als Kolbenvakuumpumpe, wobei die Vakuumpumpe (10) einen, insbesondere über eine Pumpenmembran (12) oder einen Kolben, beaufschlagbaren Schöpfraum (14) und wenigstens ein Einlassmembranventil (16) sowie wenigstens ein Auslassmembranventil (18) aufweist, über die ein Medium in einer Saugphase in den Schöpfraum (14) gesaugt und in einer Kompressionsphase aus dem Schöpfraum (14) ausgestoßen wird, und wobei die Öffnungsbewegung und/oder die Schließbewegung des Einlassmembranventils (16) und/oder des Auslassmembranventils (18) durch dessen Beaufschlagung unterstützbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Vakuumeinrichtung, insbesondere einer Vakuumpumpe (10), die wenigstens ein Membranventil (16, 18) aufweist, über das ein Medium in einer Saugphase eingesaugt und/oder in einer Kompressionsphase ausgestoßen wird, wobei
das Membranventil (16, 18) zur Unterstützung seiner Öffnungs- und/oder Schließbewegung magnetisch, elektromagnetisch, elektrisch oder elektrostatisch beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung des Einlassmembranventils (16) und/oder des Auslassmembranventils (18) zeitlich abgestimmt auf den Betrieb der Vakuumeinrichtung, insbesondere synchron mit der Beaufschlagung eines Schöpfraums (14) der als Vakuumpumpe (10) ausgebildeten Vakuumeinrichtung, erfolgt.