EP3508727A1 - Scroll pump and method for operating a scroll pump - Google Patents
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Abstract
Eine Scrollpumpe, insbesondere Scrollvakuumpumpe, umfasst wenigstens eine Scrollpumpstufe zum Fördern eines Gases von einem Gaseinlass durch die Scrollpumpstufe hindurch zu einem Gasauslass und einem Elektromotor, der einen Stator und einen Läufer aufweist, wobei der Läufer zum Antreiben eines beweglichen Teils der Scrollpumpstufe mit dem beweglichen Teil der Scrollpumpstufe gekoppelt ist. A scroll pump, in particular scroll vacuum pump, comprises at least one scroll pump stage for conveying a gas from a gas inlet through the scroll pump stage to a gas outlet and an electric motor having a stator and a rotor, the rotor for driving a movable part of the scroll pump stage with the movable part the scroll pump stage is coupled.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scrollpumpe, insbesondere Scrollvakuumpumpe, mit wenigstens einer Scrollpumpstufe zum Fördern eines Gases von einem Gaseinlass durch die Scrollpumpstufe hindurch zu einem Gasauslass, und einem Elektromotor, der einen Stator und einen Läufer aufweist, wobei der Läufer zum Antreiben eines orbitierenden Teils der Scrollpumpstufe mit dem orbitierenden Teil der Scrollpumpstufe gekoppelt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Scrollpumpe.The present invention relates to a scroll pump, in particular a scroll vacuum pump, with at least one scroll pump stage for conveying a gas from a gas inlet through the scroll pump stage to a gas outlet, and an electric motor having a stator and a rotor, the rotor for driving an orbiting portion of the Scroll pump stage is coupled to the orbiting part of the scroll pump stage. The present invention also relates to a method of operating such a scroll pump.
Eine Scrollpumpe ist eine gegen Atmosphärendruck verdichtende Verdrängerpumpe, die sich unter anderem als Kompressor einsetzen lässt. Eine Scrollvakuumpumpe kann zur Erzeugung eines Vakuums in einem an den Gaseinlass angeschlossenen Rezipienten verwendet werden. Scrollvakuumpumpen werden beispielsweise in der
Scrollvakuumpumpen werden auch als Spiralvakuumpumpen oder Spiralfluidfördereinrichtungen bezeichnet. Das einer Scrollpumpe zugrunde liegende Pumpprinzip ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird nachstehend erläutert. Eine Pumpstufe einer Scrollpumpe weist zwei ineinander gesteckte, beispielsweise archimedische Spiralzylinder auf, welche nachstehend auch als Spiralen bezeichnet werden. Jeder Spiralzylinder besteht dabei aus einer äquidistanten Spiralwand mit einer an einer Stirnseite der Spiralwand vorgesehenen Grundplatte. Die Spiralzylinder sind so ineinander gesteckt, dass die Spiralzylinder abschnittsweise halbmondförmige Volumina umschließen. Dabei steht eine Spirale fest, während die andere Spirale über einen Exzenterantrieb auf einer kreisförmigen Bahn bewegt werden kann. Die bewegbare Spirale führt somit eine sogenannte zentralsymmetrische Oszillation aus, was auch als "wobbeln" bezeichnet wird. Ein zwischen den Spiralzylindern eingeschlossenes halbmondförmiges Volumen wandert während des Wobbelns der beweglichen Spirale innerhalb der Spiralwände weiter, wodurch mittels des wandernden Volumens Gas von einem radial außen liegenden Gaseinlass nach radial innen zu einem in der Spiralenmitte liegenden Gasauslass gefördert wird.Scroll vacuum pumps are also referred to as spiral vacuum pumps or spiral fluid conveyors. The pumping principle on which a scroll pump is based is known from the prior art and will be explained below. A pumping stage of a scroll pump has two nested, for example Archimedean spiral cylinders, which are also referred to below as spirals. Each spiral cylinder consists of an equidistant spiral wall with a provided on an end face of the spiral wall base plate. The spiral cylinders are inserted into one another such that the spiral cylinders partially enclose crescent-shaped volumes. One spiral is fixed, while the other spiral can be moved via an eccentric drive on a circular path. The movable spiral thus performs a so-called Centrally symmetric oscillation, which is also referred to as "wobble". A crescent-shaped volume trapped between the spiral cylinders continues to migrate within the spiral walls during wobble of the movable scroll, whereby by means of the traveling volume gas is delivered from a radially outer gas inlet radially inward to a gas outlet located in the spiral center.
Nach dem Stand der Technik wird zum Antreiben des die bewegliche Spirale aufweisenden beweglichen Teils der Scrollpumpstufe ein als Asynchron-Antrieb ausgestalteter Elektromotor eingesetzt. Nachteilig daran ist insbesondere, dass Asynchron-Elektromotoren einen verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad aufweisen und zur Entstehung von relativ hohen Temperaturen in der Scrollpumpe beitragen können.According to the prior art, an electric motor configured as an asynchronous drive is used to drive the movable part of the scroll pump stage that has the movable spiral. The disadvantage of this is in particular that asynchronous electric motors have a relatively poor efficiency and can contribute to the emergence of relatively high temperatures in the scroll pump.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Scrollpumpe mit einem verbesserten elektrischen Antrieb bereitzustellen.The present invention is therefore based on the object to provide a scroll pump with an improved electric drive.
Die Aufgabe wird durch eine Scrollpumpe mit den Merkmalen des Anspruch 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass eine Scrollpumpe der eingangs genannten Art dadurch weitergebildet wird, dass als Elektromotor ein Synchronmotor eingesetzt wird.The object is achieved by a scroll pump with the features of
Synchronmotoren haben im Vergleich zu Asynchronmotoren einen besseren Wirkungsgrad. Daher erwärmt sich ein Synchronmotor bei gleicher Ausgangsleistung weniger stark als ein Asynchronmotor. Bei gleicher Ausgangsleistung bewirkt somit ein Synchronmotor eine weniger starke Erwärmung der Scrollpumpe. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die Lebensdauer von Dichtungsmaterialien, die in der Pumpe verwendet werden und die normalerweise aus einem Kunststoff ausgebildet sind, verlängert werden kann. Insbesondere kann - aufgrund der geringeren Erwärmung der Scrollpumpe bei Verwendung eines Synchronmotors - die Lebensdauer von sogenannten Tip Seals, wie nachstehend noch näher erläutert wird, verlängert werden.Synchronous motors have better efficiency compared to asynchronous motors. Therefore, a synchronous motor heats up less with the same output power than an asynchronous motor. For the same output power thus causes a synchronous motor less heating of the scroll pump. This has, inter alia, the advantage that the life of sealing materials used in the pump, which are normally made of plastic, can be extended. In particular, due to the lower heating of the scroll pump when using a synchronous motor - Life of so-called tip seals, as will be explained in more detail, be extended.
Weiterhin ist an der Verwendung eines Synchronmotors vorteilhaft, dass die Drehzahl des Läufers über einen großen Drehzahlbereich variiert werden kann. Die Saugleistung einer Scrollpumpe wird im Wesentlichen durch die Höhe der Spiralwände, deren Abstand, durch den Außendurchmesser und durch die Bewegungsgeschwindigkeit der beweglichen Spirale relativ zur feststehenden Spirale bestimmt. Die Bewegungsgeschwindigkeit der beweglichen Spirale ist normalerweise abhängig von der Drehzahl des Läufers des Elektromotors oder ist - wenn zwischen dem Läufer und der beweglichen Spirale ein Getriebe geschaltet ist - zumindest mit der Drehzahl des Läufers korreliert. Durch Variieren der Drehzahl des Läufers kann somit die Saugleistung der Scrollpumpe verändert werden. Beispielsweise kann zu Beginn des Pumpenbetriebs, um einen an den Gaseinlass angeschlossenen Rezipienten auszupumpen, die Drehzahl des Läufers und damit die Saugleistung der Scrollpumpe auf einen hohen Wert eingestellt werden. Nach Erreichen eines Enddrucks kann dann die Drehzahl und entsprechend die Saugleistung verringert werden, da der Enddruck auch mit geringerer Saugleistung gehalten werden kann. Durch Verringern der Drehzahl des Läufers lässt sich die Leistungsaufnahme des Elektromotors verringern, wodurch eine Energieeinsparung realisiert werden kann. Wenn man berücksichtigt, dass der Abpumpvorgang zur Evakuierung eines Rezipienten nur einen geringen Bruchteil an Zeit im Vergleich zu dem restlichen Pumpenbetrieb beansprucht, während dessen der erreichte Enddruck im Rezipienten nur noch gehalten werden muss, kann durch die Reduzierung der Drehzahl des Läufers des Elektromotors eine beträchtliche Energieeinsparung realisiert werden.Furthermore, the use of a synchronous motor is advantageous in that the rotational speed of the rotor can be varied over a wide speed range. The suction power of a scroll pump is essentially determined by the height of the spiral walls, their spacing, the outer diameter and the speed of movement of the movable scroll relative to the fixed scroll. The speed of movement of the movable scroll is normally dependent on the speed of the rotor of the electric motor or, when a transmission is connected between the rotor and the movable scroll, is at least correlated with the speed of the rotor. By varying the speed of the rotor thus the suction power of the scroll pump can be changed. For example, at the beginning of pump operation to pump out a recipient connected to the gas inlet, the speed of the rotor and thus the suction power of the scroll pump can be set to a high value. After reaching a final pressure then the speed and accordingly the suction power can be reduced because the final pressure can be maintained even with lower suction. By reducing the rotational speed of the rotor, the power consumption of the electric motor can be reduced, whereby an energy saving can be realized. Taking into account that the evacuation pump-down process requires only a small fraction of the time compared to the rest of the pump operation, during which the final discharge pressure in the recipient only has to be maintained, a considerable reduction in the rotational speed of the rotor of the electric motor can be achieved Energy saving can be realized.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Synchronmotor ein permanentmagneterregter Synchronmotor. Bei dem Synchronmotor kann es sich somit um einen PM-Synchronmotor handeln, wobei PM für Permanentmagnet steht.According to a preferred embodiment of the invention, the synchronous motor is a permanent magnet synchronous motor. The synchronous motor may be thus act to a PM synchronous motor, PM stands for permanent magnet.
Besonders bevorzugt ist der permanentmagneterregte Synchronmotor derart ausgebildet, dass jeder Pol des Läufers wenigstens einen in den Läufer eingebetteten Permanentmagnet aufweist. Durch die Einbettung der Permanentmagnete in den Läufer kann ein separater Halter für die Permanentmagnete eingespart werden. Außerdem können die Permanentmagnete durch den sie umgebenden Läufer vor Prozessgasen geschützt werden. Die Permanentmagnete können auch an der Oberfläche des Läufers angeordnet, z.B. festgeklebt, sein.Particularly preferably, the permanent magnet synchronous motor is designed such that each pole of the rotor has at least one embedded in the rotor permanent magnet. By embedding the permanent magnets in the rotor, a separate holder for the permanent magnets can be saved. In addition, the permanent magnets can be protected by the surrounding rotor from process gases. The permanent magnets may also be disposed on the surface of the rotor, e.g. stuck.
Bevorzugt ist eine Steuerung zum Steuern und/oder Regeln der Drehzahl des Läufers vorgesehen. Bevorzugt ist die Steuerung in die Pumpe integriert.Preferably, a controller for controlling and / or regulating the rotational speed of the rotor is provided. Preferably, the controller is integrated in the pump.
Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, die Drehzahl des Läufers in Abhängigkeit von einem Druck und/oder einer Temperatur der Scrollpumpe zu steuern und/oder zu regeln. Zur Messung des Drucks kann die Pumpe wenigstens einen Drucksensor aufweisen. Mittels des Drucksensors kann beispielsweise der im Gaseinlass herrschende Druck erfasst werden. Zur Erfassung einer Temperatur der Pumpe kann wenigstens ein Temperatursensor vorgesehen sein. Mit dem Temperatursensor kann beispielsweise die Temperatur der beweglichen Spirale oder der feststehenden Spirale oder die Temperatur einer Dichtung, insbesondere eines Tip Seal, gemessen werden.The controller may be configured to control and / or regulate the rotational speed of the rotor as a function of a pressure and / or a temperature of the scroll pump. For measuring the pressure, the pump may have at least one pressure sensor. By means of the pressure sensor, for example, the pressure prevailing in the gas inlet pressure can be detected. For detecting a temperature of the pump, at least one temperature sensor may be provided. With the temperature sensor, for example, the temperature of the movable spiral or the fixed spiral or the temperature of a seal, in particular a tip seal, can be measured.
Vorteilhaft an einer Steuerung, die die Drehzahl des Läufers in Abhängigkeit von einem Druck und/oder einer Temperatur der Scrollpumpe steuert oder regelt, ist insbesondere, dass diese die Drehzahl des Läufers reduzieren kann, nachdem der Enddruck erreicht ist. Dadurch kann, wie vorstehend bereits erläutert wurde, eine Energieersparnis erzielt werden. Außerdem kann die Drehzahl des Läufers abgesenkt werden, wenn die Temperatur der Scrollpumpe einen bestimmten, vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Da sich bei einer Scrollpumpe die bewegliche Spirale relativ zur feststehenden Spirale bewegt, ergibt sich zwischen den Spiralen eine Reibung, die in Verbindung mit der bewirkten Kompression des Gases eine erhebliche Erwärmung in der Scrollpumpe bewirkt. Durch Reduzierung der Drehzahl des Läufers kann auch die Relativbewegung der Spiralen zueinander verlangsamt werden, sodass eine geringere Abwärme erzeugt wird. Durch Verändern bzw. Verringern der Drehzahl des Läufers kann somit eine weitere Zunahme der Temperatur der Scrollpumpe vermieden bzw. die Temperatur der Scrollpumpe kann eventuell sogar abgesenkt werden. Bei entsprechender Wahl der Schwellenwerttemperatur kann insbesondere eine Zerstörung bzw. ein starker Verschleiß an den Dichtungen der Scrollpumpe vermieden werden.An advantage of a controller that controls or regulates the speed of the rotor in response to a pressure and / or a temperature of the scroll pump, in particular, that this can reduce the speed of the rotor after the final pressure is reached. As a result, as already explained above, an energy saving can be achieved. In addition, the speed of the rotor can be lowered when the temperature of the scroll pump a certain, predetermined or predefinable threshold. Since the movable scroll moves relative to the stationary scroll in a scroll pump, a friction results between the scrolls which, in conjunction with the effected compression of the gas, causes considerable heating in the scroll pump. By reducing the speed of the rotor and the relative movement of the spirals can be slowed down to each other, so that a smaller waste heat is generated. By changing or decreasing the speed of the rotor thus a further increase in the temperature of the scroll pump can be avoided or the temperature of the scroll pump can possibly even be lowered. With a suitable choice of the threshold temperature in particular a destruction or heavy wear on the seals of the scroll pump can be avoided.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Steuerung dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einem, vorzugsweise von einem Benutzer der Pumpe vorgegebenen, Betriebsparameter der Pumpe, wie etwa einem gewünschten Ansaugdruck oder einem gewünschten Saugvermögen, die Drehzahl des Läufers derart einzustellen, dass der Betriebsparameter zumindest annähernd erreicht wird. Durch die Einstellbarkeit der Drehzahl des Läufers kann somit ein damit zusammenhängender Betriebsparameter, wie etwa der Ansaugdruck oder das Saugvermögen, so eingestellt werden, dass der Betriebsparameter auch tatsächlich von der Pumpe realisiert werden kann.According to a preferred embodiment of the invention, the controller is adapted to adjust depending on a, preferably predetermined by a user of the pump, operating parameters of the pump, such as a desired suction pressure or a desired suction, the speed of the rotor such that the operating parameters at least is almost reached. As a result of the adjustability of the rotational speed of the rotor, a related operating parameter, such as the intake pressure or the pumping speed, can thus be adjusted so that the operating parameter can actually be realized by the pump.
Die Steuerung kann es beispielsweise ermöglichen, dass ein Benutzer der Pumpe den Betriebsparameter festlegt. Daraufhin kann die Steuerung die Drehzahl des Läufers so einstellen, dass der Betriebsparameter tatsächlich erreicht wird. Die Steuerung kann auch eine Regelung sein. Zur Erreichung des Betriebsparameters kann bspw. ein Abgleich des Ist-Werts des Betriebsparameters mit einem SollWert erfolgen.For example, the controller may allow a user of the pump to set the operating parameter. Thereafter, the controller may adjust the speed of the rotor so that the operating parameter is actually achieved. The control can also be a regulation. In order to achieve the operating parameter, for example, a comparison of the actual value of the operating parameter with a desired value can take place.
Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, die Drehzahl des Läufers in Abhängigkeit von einem Druck derart zu steuern und/oder zu regeln, dass sich das Saugvermögen der Pumpe entsprechend einem vorgegebenen oder vorgebbaren Verlauf ändert. Während des Auspumpens eines Rezipienten kann die Drehzahl des Läufers beispielsweise so eingestellt werden, dass sich über den Auspumpvorgang gesehen das Saugvermögen der Pumpe linear ändert oder nur geringfügigen Schwankungen unterliegt. Einbrüche des Saugvermögens, die bei bestimmten Drücken im Gaseinlass auftreten können, lassen sich dadurch vermeiden.The controller may be configured to control the speed of the rotor in response to a pressure and / or to regulate so that the pumping speed of the pump changes according to a predetermined or predeterminable course. During the pumping out of a recipient, for example, the rotational speed of the rotor can be adjusted such that the pumping speed of the pump changes linearly or undergoes only slight fluctuations as seen during the pumping process. Absorbs of pumping, which can occur at certain pressures in the gas inlet, can be avoided thereby.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Steuerung dazu ausgebildet, bei Erreichen eines bestimmten Drucks, insbesondere eines Enddrucks, die Drehzahl des Läufers zu reduzieren, insbesondere um einen vorgegebenen oder vorgebbaren, bestimmten Betrag. Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, kann durch die Reduzierung der Drehzahl des Läufers eine möglicherweise erhebliche Energieeinsparung erreicht werden.According to a preferred embodiment of the invention, the controller is designed to reduce the speed of the rotor upon reaching a certain pressure, in particular a final pressure, in particular by a predetermined or predetermined, certain amount. As stated above, reducing the rotational speed of the rotor may result in potentially significant energy savings.
Bevorzugt ist die Steuerung dazu ausgebildet, bei Erreichen eines bestimmten Drucks, insbesondere eines Enddrucks, den Elektromotor kurzzeitig abzuschalten oder bei einer vorgegebenen oder vorgebbaren, insbesondere minimalen, Drehzahl des Läufers zu betreiben. Nach Erreichen des Enddrucks ist es nur noch erforderlich, diesen Enddruck wenigstens annähernd zu halten. Die Pumpe kann daher nach dem Erreichen des Enddrucks bei einer geringeren Saugleistung betrieben werden, als zur Erzeugung des Enddrucks erforderlich ist. Auch ist es möglich, den Elektromotor kurzzeitig abzuschalten, um eine entsprechende Energieersparnis zu erreichen. Die Zeitdauer der Abschaltung kann dabei so gewählt sein, dass - zum Beispiel anhand empirisch gewonnener Daten - sichergestellt ist, dass während der Abschaltung kein oder nur ein geringfügiger Anstieg des Drucks im Rezipienten stattfindet. Durch den Betrieb der Pumpe mit einem bei minimaler Drehzahl laufendem Läufer kann ebenfalls eine erhebliche Energieersparnis erreicht und sichergestellt werden, dass der Druck im Rezipienten nicht oder allenfalls nur geringfügig ansteigt.Preferably, the controller is adapted to briefly switch off the electric motor on reaching a certain pressure, in particular a final pressure, or to operate at a predetermined or predetermined, in particular minimum, speed of the rotor. After reaching the final pressure, it is only necessary to keep this final pressure at least approximately. The pump can therefore be operated after reaching the final pressure at a lower suction power than is required to generate the final pressure. It is also possible to temporarily switch off the electric motor in order to achieve a corresponding energy saving. The duration of the shutdown can be chosen so that - for example based on empirically obtained data - it is ensured that no or only a slight increase in the pressure takes place in the recipient during shutdown. By operating the pump with a runner running at minimal speed can also achieve a significant energy savings and to ensure that the pressure in the recipient does not increase, or at most only slightly.
Wenn vorgesehen ist, dass die Steuerung den Elektromotor kurzzeitig abschaltet, ist es vorteilhaft, wenn die Steuerung dazu ausgebildet ist, den Elektromotor nach dem Abschalten wieder zu betreiben, zum Beispiel, wenn nach dem Abschalten des Elektromotors ein Druckanstieg gemessen wird.If it is provided that the controller shuts off the electric motor for a short time, it is advantageous if the controller is designed to re-operate the electric motor after switching off, for example, if after the switching off of the electric motor, a pressure increase is measured.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist für den Normalbetrieb der Pumpe ein maximal zulässiger Drehzahlbereich für den Läufer vorgegeben, und die Steuerung ist dazu ausgebildet, die Drehzahl des Läufers über den maximal zulässigen Drehzahlwert zu steigern. Die Pumpe kann somit in einer Art Boost-Funktion betrieben werden, bei der ein festgelegter, normalerweise maximal zulässiger Drehzahlwert wenigstens kurzzeitig überschritten werden kann, insbesondere um kurzzeitig ein hohes Saugvermögen am Gaseinlass der Pumpe zu realisieren. Durch die Boost-Funktion können auch eventuelle Einbrüche des Saugvermögens ausgeglichen werden.According to a preferred embodiment of the invention, a maximum allowable speed range for the rotor is specified for normal operation of the pump, and the controller is adapted to increase the speed of the rotor over the maximum allowable speed value. The pump can thus be operated in a kind of boost function in which a defined, normally maximum permissible speed value can be exceeded at least for a short time, in particular in order to realize a high pumping speed at the gas inlet of the pump for a short time. The boost function also compensates for possible slumps in the pumping speed.
Insbesondere kann die Steuerung dazu ausgebildet sein, die Drehzahl des Läufers über den maximal zulässigen Drehzahlwert zu steigern, wenn ein bestimmter, vorgegebener Druckwert und/oder eine bestimmte, vorgegebene Temperatur in der Pumpe, insbesondere an einer in der Pumpe vorgesehenen Dichtung, erreicht wird.In particular, the controller may be configured to increase the rotational speed of the rotor over the maximum permissible rotational speed value when a certain, predetermined pressure value and / or a certain, predetermined temperature in the pump, in particular at a provided in the pump seal, is achieved.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung, die auch als unabhängige Erfindung beansprucht wird, ist der Läufer des Elektromotors derart relativ zum Stator des Elektromotors angeordnet, dass während des Betriebs des Elektromotors eine, in eine axiale Richtung gerichtete, axiale Kraft auf den Läufer erzeugt wird. Die axiale Richtung bezieht sich dabei auf eine Richtung längs der Drehachse des Läufers. Zur Erzeugung der axialen Kraft kann der Läufer, bezogen auf seine Normallage zum Stator, längs der axialen Richtung versetzt zum Stator angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Läufer bezogen auf seine Normallage zum Stator entgegen der axialen Richtung um einen Versatz versetzt angeordnet. Dabei ist mit Normallage diejenige Lage gemeint, in der die senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Mittelebenen von Läufer und Stator übereinander liegen.According to a preferred embodiment, which is also claimed as an independent invention, the rotor of the electric motor is arranged relative to the stator of the electric motor, that during operation of the electric motor, directed in an axial direction, axial force is generated on the rotor. The axial direction refers to a direction along the axis of rotation of the rotor. To generate the axial force of the rotor, based on its normal position to the stator, along the axial direction can be arranged offset to the stator. Preferably, the rotor is offset in relation to its normal position to the stator against the axial direction offset by an offset. Normal position means that position in which the center planes of rotor and stator, which run perpendicular to the rotation axis, lie one above the other.
Der Läufer kann derart mit dem beweglichen Teil der Scrollpumpe gekoppelt sein, dass die axiale Kraft auf den beweglichen Teil der Scrollpumpstufe übertragen wird. Der bewegliche Teil der Scrollpumpstufe kann somit während des Betriebs des Elektromotors in axialer Richtung mit der axialen Kraft beaufschlagt werden.The rotor may be coupled to the movable part of the scroll pump such that the axial force is transmitted to the movable part of the scroll pump stage. The movable part of the scroll pump stage can thus be acted upon during operation of the electric motor in the axial direction with the axial force.
In axialer Richtung gesehen kann zwischen dem beweglichen Teil der Scrollpumpstufe und einem unbeweglichen Teil der Scrollpumpstufe wenigstens eine Dichtung angeordnet sein, die durch die axiale Kraft zwischen dem beweglichen und dem unbeweglichen Teil der Scrollpumpstufe zusammengedrückt oder angepresst wird. Mittels der axialen Kraft lässt sich der bewegliche Teil der Scrollpumpstufe in Richtung des unbeweglichen Teils der Scrollpumpstufe vorspannen und eine dazwischenliegende Dichtung, insbesondere ein sogenanntes Tip Seal, kann dadurch zusammengedrückt werden. Dadurch kann die Wirkung der Dichtung verbessert werden.As seen in the axial direction, between the movable part of the scroll pumping stage and an immovable part of the scroll pumping stage at least one seal can be arranged, which is compressed or pressed by the axial force between the movable and immovable part of the scroll pumping stage. By means of the axial force, the movable part of the scroll pumping stage can be biased in the direction of the immovable part of the scroll pumping stage and an intermediate seal, in particular a so-called tip seal, can thereby be compressed. Thereby, the effect of the seal can be improved.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Scrollpumpe, insbesondere Scrollvakuumpumpe, mit wenigstens einer Scrollpumpstufe zum Fördern eines Gases von einem Gaseinlass durch die Scrollpumpe hindurch zu einem Gasauslass und einem Elektromotor, der einen Stator und einen Läufer aufweist, wobei der Läufer zum Antreiben eines beweglichen Teils der Scrollpumpstufe mit dem beweglichen Teil der Scrollpumpstufe gekoppelt ist, und wobei bei dem Verfahren die Drehzahl des Läufers in Abhängigkeit von einem Druck und/oder einer Temperatur der Scrollpumpe gesteuert und/oder geregelt wird.The invention also relates to a method for operating a scroll pump, in particular a scroll vacuum pump, with at least one scroll pump stage for conveying a gas from a gas inlet through the scroll pump to a gas outlet and an electric motor having a stator and a rotor, wherein the rotor for driving a movable part of the scroll pump stage is coupled to the movable part of the scroll pump stage, and wherein in the method, the speed of the rotor is controlled and / or regulated in response to a pressure and / or a temperature of the scroll pump.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Scrollvakuumpumpe,
- Fig. 2A
- einen Längsschnitt durch eine Pumpstufe einer Scrollvakuumpumpe,
- Fig. 2B
- einen Längsschnitt durch eine Pumpstufe einer weiteren Scrollvakuumpumpe,
- Fig. 3
- einen Querschnitt der Pumpstufe der Scrollvakuumpumpe von
Fig. 1 , - Fig. 4
- einen Längsschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Scrollvakuumpumpe,
- Fig. 5
- einen Querschnitt durch einen Stator und Rotor eines SynchronElektromotors, und
- Fig. 6A - 6E
- verschiedene Abwandlungen von Rotoren für einen SynchronElektromotor.
- Fig. 1
- a longitudinal section through a scroll vacuum pump according to the invention,
- Fig. 2A
- a longitudinal section through a pumping stage of a Scrollvakuumpumpe,
- Fig. 2B
- a longitudinal section through a pumping stage of another scroll vacuum pump,
- Fig. 3
- a cross section of the pumping stage of the scroll vacuum pump of
Fig. 1 . - Fig. 4
- a longitudinal section through another scroll vacuum pump according to the invention,
- Fig. 5
- a cross section through a stator and rotor of a SynchronElektromotors, and
- FIGS. 6A-6E
- various modifications of rotors for a synchronous electric motor.
Die in
An der Stirnfläche des beweglichen ersten Spiralzylinders 25, die der feststehenden, zweiten Wand 31 gegenübersteht, ist eine erste Dichtung 33 angeordnet, die auch als Tip Seal bezeichnet wird. Bei einem Tip Seal handelt es sich beispielsweise um einen Kunststoff-Compound (PTFE) mit rechteckigem Querschnitt.On the end face of the movable
Zwischen der Stirnfläche des feststehenden zweiten Spiralzylinders 27, die der beweglichen, ersten Wand 29 zugewandt ist, ist ebenfalls eine zweite Dichtung 35 vorgesehen, die ebenfalls als Tip Seal bezeichnet wird. Durch die Dichtungen 33, 35 lassen sich die von den Spiralzylindern 25, 27 eingeschlossenen, halbmondförmigen Volumina an den Stirnflächen der Spiralzylinder 25, 27 abdichten.Between the end face of the fixed
Der Gaseinlass 15 mündet in einen Ansaugbereich 37 (vgl.
Wie vorstehend erwähnt wurde, wird zum Antreiben der ersten Spirale 25 bzw. des beweglichen Teils 21 der Scrollpumpstufe 19 der Exzenterantrieb 36 verwendet. Der Exzenterantrieb 36 umfasst eine mittels Lager 43 gelagerte Exzenterwelle 41, die an ihrem axialen Ende einen Abschnitt 45 aufweist, dessen Längsachse L zur Rotationsachse R der Exzenterwelle 41 parallel versetzt ist. Der bewegliche Teil 21 umfasst ein Lager 47, das auf den Wellenabschnitt 45 aufgesteckt ist, wie
Zum Antreiben der Exzenterwelle 41 ist im Gehäuse 13 ein Synchronmotor 53 vorgesehen, welcher einen Stator 55 und einen Läufer 57 aufweist. Der Läufer 57 ist dabei mit der Welle 41 und somit mit dem beweglichen Teil 21 der Scrollpumpe 19 gekoppelt.For driving the
Bei dem Synchronmotor 53 handelt es sich vorzugsweise um einen permanentmagneterregten Synchronmotor, bei dem der Läufer 57 mehrere, vorzugsweise in den Läufer 57 eingebettete Permanentmagnete 59 aufweist, wie
Die Scrollpumpe 11 kann ferner eine Steuerung 61 aufweisen, die mit dem Synchronmotor 53 gekoppelt und zum Steuern und/oder Regeln der Drehzahl des Läufers 57 ausgebildet ist. Die Steuerung 61 kann über eine, insbesondere sensorlose, Positionserkennung des Läufers verfügen und weist vorteilhafterweise auch einen Weitspannungseingang, zum Beispiel für Versorgungsspannungen von 90 bis 230 Volt oder zum Beispiel für Versorgungsspannungen von 24 bis 48 Volt, auf.The scroll pump 11 may further include a
Die Steuerung 61 kann die Drehzahl des Läufers 57 und somit die Drehzahl der ersten Spirale 25 nahezu beliebig verändern. Der Abrieb der Dichtungen 33, 35 während des Pumpenbetriebs hängt von der Gleitgeschwindigkeit der Dichtungen 33, 35 an den Wänden 29, 31 und somit von der Drehzahl des Läufers 57 ab. Weitere Parameter, die einen Einfluss auf den Abrieb der Dichtungen 33, 35 haben, sind die Anpresskraft der Dichtungen 33, 35 an die Wände 29, 31 und die Temperatur. Auch die Temperatur lässt sich wenigstens indirekt über die Drehzahl des Läufers 57 beeinflussen, da bei höherer Drehzahl des Läufers 57 auch höhere Temperaturen in der Pumpe auftreten. Durch Anpassung der Drehzahl des Läufers 57 während des Pumpenbetriebs kann der Abrieb der Dichtungen 33, 35 vermindert und die Temperatur in der Pumpe 11 kann beeinflusst werden.The
Die Bewegungsgeschwindigkeit der ersten Spirale 25 und somit die Drehzahl des Läufers 57 haben außerdem einen entscheidenden Einfluss auf das Saugvermögen bzw. auf die Pumpenkapazität und den erreichbaren Enddruck bzw. das Kompressionsverhältnis der Pumpe 11.The speed of movement of the
Die Scrollpumpe kann wenigstens einen Temperatursensor 63 im Bereich des Pumpsystems, beispielsweise an der Rückwand 67 der ersten Wand 29, und einen Drucksensor 65, zum Beispiel im Bereich des Gaseinlasses 15, aufweisen. Die Steuerung 61 kann daher dazu ausgebildet sein, die Drehzahl des Läufers 57 in Abhängigkeit von einem Druck und/oder einer Temperatur der Scrollpumpe 11 zu steuern und/oder zu regeln. Dadurch wird es beispielsweise möglich, wenn die Temperatur der Scrollpumpe einen bestimmten, vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert überschreitet, die Drehzahl des Läufers 57 abzusenken, um keinen weiteren Anstieg oder eventuell sogar eine Senkung der Temperatur der Scrollpumpe zu erreichen.The scroll pump may have at least one temperature sensor 63 in the region of the pumping system, for example on the
Die Steuerung 61 kann auch dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit von einem, zum Beispiel für einen Benutzer der Pumpe 11 vorgegebenen oder vorgebbaren Betriebsparameter der Pumpe 11, wie etwa einem gewünschten Ansaugdruck oder einem gewünschten Saugvermögen, die Drehzahl des Läufers 57 derart einzustellen, dass der Betriebsparameter erreicht wird. Durch die Einstellbarkeit der Drehzahl des Läufers 57 kann somit ein damit zusammenhängender Betriebsparameter, wie etwa der Ansaugdruck oder das Saugvermögen, erreicht werden.The
Die Steuerung 61 kann einem Benutzer die Eingabe eines Betriebsparameters ermöglichen und daraufhin die Drehzahl des Läufers 57 derart einstellen, dass der Betriebsparameter tatsächlich erreicht wird. Die Steuerung kann auch dazu ausgebildet sein, die Drehzahl des Läufers 57 in Abhängigkeit von dem über den Drucksensor 65 gemessenen Druck derart zu steuern und/oder zu regeln, dass sich das Saugvermögen der Pumpe 11 entsprechend einem vorgegebenen oder vorgebbaren Verlauf ändert. Während des Auspumpvorgangs des Rezipienten kann beispielsweise über die Drehzahl des Läufers 57 das Saugvermögen der Pumpe 11 so eingestellt werden, dass es dem vorgegebenen Verlauf folgt und somit beispielsweise nur geringfügige Schwankungen auftreten. Dadurch können insbesondere Einbrüche des Saugvermögens, die bei bestimmten Drücken bei aus dem Stand der Technik bekannten Scrollpumpen auftreten können, vermieden werden.The
Einbrüche des Saugvermögens, insbesondere durch verschlissene Tip Seals, können außerdem durch Ausgleichen bzw. Nachstellen der Tip Seals vermieden werden.Slumps in absorbency, especially through worn tip seals, can also be avoided by leveling or adjusting tip seals.
Durch eine druckabhängige Drehzahlsteuerung der Drehzahl des Läufers 57 kann beispielsweise ein nahezu linearer Saugvermögensbereich bzw. -verlauf erzielt werden.By a pressure-dependent speed control of the speed of the
Die Steuerung 61 kann dazu ausgebildet sein, bei Erreichen eines bestimmten Drucks, beispielsweise eines Enddrucks der Pumpe 11, die Drehzahl des Läufers 57 zu reduzieren.The
Mittels der Steuerung 61 kann auch eine druckabhängige Drehzahlregelung der Scrollpumpe erfolgen. Der Benutzer der Pumpe kann beispielsweise einen Ansaugdruck vorwählen und die Steuerung 61 kann in Abhängigkeit der anstehenden Gaslast bzw. des mittels des Drucksensors 65 gemessenen Drucks die Drehzahl des Läufers 57, soweit diese im zugelassenen Regelbereich liegt, einstellen.By means of the
Die Steuerung 61 kann dazu ausgebildet sein, bei Erreichen eines bestimmten Drucks, insbesondere eines Enddrucks der Pumpe 11, den Elektromotor 53 wenigstens kurzzeitig abzuschalten oder bei einer vorgegebenen oder vorgebbaren, insbesondere minimalen, Drehzahl zu betreiben. Nach Erreichen des Enddrucks ist es nur noch erforderlich, diesen Enddruck zu halten. Dabei wird eine geringere Saugleistung benötigt als während des eigentlichen Auspumpvorgangs des Rezipienten erforderlich ist. Daher ist es möglich, den Synchronmotor 53 kurzzeitig abzuschalten, um eine entsprechende Energieersparnis zu erreichen. Die Zeitdauer der Abschaltung kann so gewählt sein, dass sichergestellt ist, dass während der Abschaltung kein oder nur ein geringfügiger Anstieg des Drucks im Rezipienten stattfindet. Die Pumpe kann nach Erreichen des Enddrucks auch bei einer vorgegebenen minimalen Drehzahl betrieben werden, um einerseits den Enddruck zu halten, andererseits aber eine Energieersparnis zu erreichen.The
Die Steuerung 61 kann dazu ausgebildet sein, nach einer Abschaltung des Motors 53 diesen wieder anzuschalten, zum Beispiel in Abhängigkeit des mit dem Drucksensor 65 gemessenen Drucks.The
Bei der Vakuumpumpe 11 kann für den Normalbetrieb der Pumpe ein maximal zulässiger Drehzahlwert für den Läufer 57 vorgegeben sein. Die Steuerung 61 kann so ausgestaltet sein, dass sie die Drehzahl des Läufers 57 überwacht und dafür sorgt, dass im Normalbetrieb der Pumpe 11 der maximal zulässige Drehzahlwert nicht überschritten wird. Allerdings kann die Steuerung 11 auch dazu ausgebildet sein, die Drehzahl des Läufers 57 über den maximal zulässigen Drehzahlwert zu steigern. Die Pumpe 11 kann somit in einem Boost-Betrieb betrieben werden, um kurzzeitig ein hohes Saugvermögen zu realisieren.In the case of the vacuum pump 11, a maximum permissible rotational speed value for the
Im Unterschied zu der Scrollpumpe der
Zur Erzeugung der axialen Kraft ist der Läufer 57, wie ein Vergleich zwischen den
Die Verwendung eines Elektromotors 53 mit einem axialen Versatz V zwischen dem Stator 55 und dem Läufer 57 eignet sich zur Verwendung im Zusammenhang mit einer Single-Wrap Pumpstufe (vgl.
In den
Gemäß
Bei dem Läufer 57 der
Bei dem Läufer 57 der
Bei dem Läufer 57 der
Bei dem Läufer 57 der
Jeder der dargestellten Läufer 57 kann in einem Synchronmotor 53 der Pumpe 11 oder der Pumpe 11' eingesetzt werden.Each of the illustrated
- 11, 11'11, 11 '
- Scrollpumpescroll pump
- 1313
- Gehäusecasing
- 1515
- Gaseinlassgas inlet
- 1717
- Gasauslassgas outlet
- 1919
- ScrollpumpstufeScroll pump stage
- 2121
- beweglicher Teilmoving part
- 2323
- feststehender Teilfixed part
- 2525
- erster Spiralzylinderfirst spiral cylinder
- 2727
- zweiter Spiralzylindersecond spiral cylinder
- 2929
- erste Wandfirst wall
- 3131
- zweite Wandsecond wall
- 3333
- erste Dichtungfirst seal
- 3535
- zweite Dichtungsecond seal
- 3636
- Exzenterantriebeccentric
- 3737
- Ansaugbereichsuction
- 3939
- Ausstoßbereichdischarge area
- 4141
- Exzenterwelleeccentric shaft
- 4343
- Lagerwarehouse
- 4545
- Wellenabschnittshaft section
- 4747
- Lagerwarehouse
- 4949
- Ausgleichsgewichtcounterweight
- 5151
- Wellenbalgbellows
- 5353
- Elektromotorelectric motor
- 5555
- Statorstator
- 5757
- Läuferrunner
- 5959
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59a59a
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59b59b
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59c59c
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59d59d
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59e59e
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59f59f
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59a-159a-1
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59a-259a-2
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59a-359a-3
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59a-459a-4
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59b-159b-1
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59b-259b-2
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59c-159c-1
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59c-259c-2
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59d-159d-1
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59d-259d-2
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59e-159e-1
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59e-259e-2
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59f-159f-1
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 59f-259f-2
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 6161
- Steuerungcontrol
- 6363
- Temperatursensortemperature sensor
- 6565
- Drucksensorpressure sensor
- 6767
- Rückseiteback
- 6969
- beweglicher Spiralzylindermovable spiral cylinder
- 7171
- unbeweglicher Spiralzylinderimmovable spiral cylinder
- 7373
- dritte Wandthird wall
- 7575
- Dichtungpoetry
- 7777
- Dichtungpoetry
- 7979
- Rotorpolrotor pole
- LL
- Längsachselongitudinal axis
- RR
- Rotationsachseaxis of rotation
- FF
- Kraftforce
- M1M1
- Mittelebenemidplane
- M2M2
- Mittelebenemidplane
- VV
- axialer Versatzaxial offset
- UU
- Umfangsrichtungcircumferentially
Claims (4)
dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (57) derart relativ zum Stator (55) angeordnet ist, dass während des Betriebs des Elektromotors (53) eine längs der Rotationsachse (R) des Läufers (57) wirkende, axiale Kraft (F) auf den Läufer (57) erzeugt wird.Scroll pump, in particular scroll vacuum pump, with at least one scroll pump stage (19) for conveying a gas from a gas inlet (15) through the scroll pump stage (19) to a gas outlet (17), and an electric motor (53) having a stator (55) and a rotor (57), wherein the rotor (57) for driving a movable part (21) of the scroll pump stage (19) is coupled to the movable part (21) of the scroll pump stage (19),
characterized in that the rotor (57) is arranged relative to the stator (55) such that during operation of the electric motor (53) along the axis of rotation (R) of the rotor (57) acting axial force (F) on the rotor (57) is generated.
dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der axialen Kraft (F) der Läufer (57) bezogen auf seine Normallage zum Stator (55) um einen Versatz (V) entgegen der axialen Richtung versetzt zum Stator (55) angeordnet ist.Pump according to claim 1,
characterized in that for generating the axial force (F) of the rotor (57) relative to its normal position to the stator (55) by an offset (V) against the axial direction offset from the stator (55) is arranged.
dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (57) derart mit dem beweglichen Teil (21) der Scrollpumpstufe (19) gekoppelt ist, dass die axiale Kraft (F) auf den beweglichen Teil (21) der Scrollpumpstufe (19) übertragen wird.Pump according to claim 1 or 2,
characterized in that the rotor (57) is coupled to the movable part (21) of the scroll pump stage (19) such that the axial force (F) is transmitted to the movable part (21) of the scroll pump stage (19).
dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung gesehen zwischen dem beweglichen Teil (21) der Scrollpumpstufe (19) und einem unbeweglichen, feststehenden Teil (23) der Scrollpumpstufe (19) wenigstens eine Dichtung (33, 35) angeordnet ist, die durch die axiale Kraft (F) zwischen dem beweglichen und dem unbeweglichen Teil (21, 23) der Scrollpumpstufe (11, 11') zusammengedrückt oder angepresst wird.Pump according to one of claims 1 to 3,
characterized in that viewed in the axial direction between the movable part (21) of the scroll pump stage (19) and a stationary, fixed part (23) of the scroll pump stage (19) at least one seal (33, 35) is arranged, by the axial force (F) between the movable and the immovable part (21, 23) of the scroll pump stage (11, 11 ') is compressed or pressed.
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