EP4647604A1

EP4647604A1 - Vakuumpumpzum-fordermalen-eine-gasförmigen-medien

Info

Publication number: EP4647604A1
Application number: EP24222386.5A
Authority: EP
Inventors: Maik Schäfer; David STIBEN; Jonas Becker; Tobias PRÖHL
Original assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Current assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date: 2024-12-20
Filing date: 2024-12-20
Publication date: 2025-11-12

Abstract

Eine Vakuumpumpe zum Fördern eines gasförmigen Mediums umfasst ein Pumpsystem, das zumindest einen Gaseinlass und zumindest einen Auslass aufweist, eine Erfassungseinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, zumindest einen charakteristischen Parameter des Mediums zu erfassen, eine Bestimmungseinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, einen Feuchtigkeitskennwert, der ein Maß für eine Feuchte des Mediums ist, basierend auf dem zumindest einen charakteristischen Parameter und/oder einem zeitlichen Verlauf des zumindest einen charakteristischen Parameters zu bestimmen, und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die Vakuumpumpe in einem Kondensationsvermeidungsmodus zu betreiben, in dem zumindest ein Betriebsparameter der Vakuumpumpe beeinflusst wird, um eine Dampfkapazität der Vakuumpumpe zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe zum Fördern eines gasförmigen Mediums, ein Verfahren zum Betreiben der Vakuumpumpe und eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Feuchte eines gasförmigen Mediums.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Typen von Vakuumpumpen bekannt. Beispiele für Vakuumpumpen sind Scroll-Vakuumpumpen und Wälzkolben-Vakuumpumpen. Solche Vakuumpumpen werden als trockenlaufende Vakuumpumpen bezeichnet, da sie nicht auf Fette oder Ölen zum Dichten und/oder Schmieren der Vakuumpumpe angewiesen sind.
Eine Scroll-Pumpe ist eine verdichtende Verdrängerpumpe, die sich unter anderem als Kompressor oder als Vakuumpumpe einsetzen lässt. Scroll-Pumpen werden auch als Spiralpumpen oder Spiralfluidfördereinrichtungen bezeichnet. Scroll-Vakuumpumpen können zur Erzeugung eines Vakuums in einem an den Gaseinlass der Pumpe angeschlossenen Rezipienten verwendet werden.
Das einer Scroll-Vakuumpumpe zugrunde liegende Pumpprinzip ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird nachstehend erläutert. Eine Pumpstufe einer Scroll-Vakuumpumpe weist zwei ineinander gesteckte, beispielsweise archimedische Spiralzylinder auf, welche nachstehend auch als Spiralelemente bezeichnet werden. Jedes Spiralelement besteht dabei aus einer Wand, die sich in einer axialen Richtung von einem Träger erstreckt und die eine dem Träger abgewandte freie Stirnseite aufweist.
Die Spiralelemente sind so ineinandergesteckt, dass die Spiralelemente 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 Spiralelemente 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. Zur Abdichtung der Förderräume von herkömmlichen Scroll-Vakuumpumpen sind an den Stirnseiten der Spiralwände jeweils Dichtungen vorgesehen, (sog. Tip-Seals).
In einigen Anwendungsfällen werden Vakuumpumpen zum Fördern von gasförmigen Medien verwendet, die eine gewisse Feuchtigkeit aufweisen, d.h. die einen gewissen Prozentsatz an Wasserdampf enthalten. Charakteristische Kenngrößen von Vakuumpumpen sind in diesem Zusammenhang die Wasserdampfverträglichkeit und die Wasserdampfkapazität, welche nach ISO21360 definiert sind. Die Wasserdampfverträglichkeit ist als derjenige Ansaugdruck definiert, bis zu dem reiner Wasserdampf gepumpt werden kann, ohne dass das Medium innerhalb der Pumpe kondensiert. Die Wasserdampfkapazität ist diejenige Wasserdampfmenge, die maximal gepumpt werden kann, ohne dass das Medium innerhalb der Pumpe kondensiert. Analoges gilt für andere gasförmige Substanzen, die im Inneren einer Pumpe kondensieren könnten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumpumpe für ein gasförmiges Medium mit einer erhöhten Dampfkapazität bereitzustellen. Das gasförmige Medium ist zum Beispiel reiner Wasserdampf oder ein Gasgemisch, das Wasserdampf enthält. Neben Wasser sind auch andere Komponenten denkbar, die bei Betrieb der Pumpe kondensieren könnten, so dass die Gefahr besteht, dass sich Ablagerungen innerhalb der Pumpe bilden und/oder dass Teile der Pumpe angegriffen werden.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
Eine Vakuumpumpe umfasst ein Pumpsystem, das zumindest einen Gaseinlass und zumindest einen Auslass aufweist. Unter dem Pumpsystem ist derjenige Teil der Pumpe zu verstehen, welcher die pumpaktiven Komponenten der Pumpe umfasst.
Die Vakuumpumpe kann eine trockenlaufende Vakuumpumpe sein. Zum Beispiel ist die Vakuumpumpe eine Scroll-Vakuumpumpe oder eine bevorzugt mehrstufige Wälzkolben-Vakuumpumpe. Es sind aber auch andere Typen von trockenlaufenden Vakuumpumpen denkbar. Scroll-Vakuumpumpen bieten beispielsweise gegenüber Drehschieberpumpen den Vorteil, dass sie besonders energieeffizient arbeiten. Dies liegt vor allem daran, dass sie ein trockenes Pumpsystem aufweisen und die Kompression des Mediums durch eine Vielzahl von Spiralwindungen erfolgt, während bei Drehschieberpumpen Öl umgewälzt und gefördert werden muss. Bevorzugt wird bei Scroll-Vakuumpumpen ein IPM-Motor (Interior Permanent Magnet) als Antriebsmittel eingesetzt. Außerdem arbeiten Scroll-Vakuumpumpen vergleichsweise verschleißarm. Im Falle einer Scroll-Vakuumpumpe umfasst das Pumpsystem beispielsweise unter anderem ein feststehendes Spiralbauteil und ein in Bezug auf das feststehende Spiralbauteil beweglich angeordnetes Spiralbauteil.
Die Vakuumpumpe umfasst ferner eine Erfassungseinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, zumindest einen charakteristischen Parameter des Mediums zu erfassen. Insbesondere ist die Erfassungseinheit dazu eingerichtet und ausgebildet, genau einen charakteristischen Parameter des Mediums zu erfassen, wodurch Rechenressourcen gespart werden können und die Komplexität der Pumpe verringert werden kann. Die Erfassungseinheit kann aber auch dazu eingerichtet und ausgebildet sein, zwei oder mehr charakteristische Parameter des Mediums zu erfassen, wodurch mehr Daten zur weiteren Auswertung zu Verfügung stehen.
Die Vakuumpumpe umfasst des Weiteren eine Bestimmungseinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, einen Feuchtigkeitskennwert basierend auf dem zumindest einen charakteristischen Parameter und/oder einem zeitlichen Verlauf des zumindest einen charakteristischen Parameters zu bestimmen. Der Feuchtigkeitskennwert ist ein Maß für eine Feuchte des Mediums, insbesondere für einen Wasserdampfgehalt in dem Medium. Der zeitliche Verlauf kann ein zeitlich konstanter Verlauf und/oder ein zeitlich variierender Verlauf sein. Die Bestimmungseinheit kann einen Speicher zum (Zwischen)Speichern des zeitlichen Verlaufs umfassen.
Unter dem Begriff "Feuchte" ist im Kontext der vorliegenden Erfindung nicht nur ein Gehalt von Wasser(dampf) in dem Medium zu verstehen. Er umfasst auch den Gehalt anderer (gasförmiger) Substanzen oder Komponenten, die bei Betrieb der Pumpe in deren Inneren kondensieren könnten. Beispiele für solche Komponenten sind Säuren, Basen, Alkohole, Reinigungsmedien oder Kombinationen davon.
Außerdem umfasst die Vakuumpumpe eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die Vakuumpumpe in einem Kondensationsvermeidungsmodus zu betreiben, in dem zumindest ein Betriebsparameter der Vakuumpumpe beeinflusst wird, um eine Dampfkapazität, insbesondere Wasserdampfkapazität, der Vakuumpumpe zu erhöhen.
Der Betriebsparameter ist zum Beispiel eine Betriebstemperatur der Vakuumpumpe. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet und ausgebildet sein, genau einen, zwei oder mehr Betriebsparameter der Vakuumpumpe zu beeinflussen. Beispielsweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet, nur die Betriebstemperatur der Vakuumpumpe zu beeinflussen, insbesondere zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe weist also einen speziell konfigurierten Betriebsmodus auf, in dem die Vakuumpumpe bei Bedarf betrieben werden kann. In diesem Modus wird ein Kondensieren des zu fördernden Mediums innerhalb der Vakuumpumpe vermieden und gleichzeitig die Dampfkapazität der Vakuumpumpe erhöht.
Das Bilden von Kondensat kann dazu führen, dass Teile der Pumpe schneller verschleißen oder korrodieren, insbesondere die Tip-Seals von Scroll-Vakuumpumpen, und/oder dass sich Ablagerungen an Bestandteilen der Pumpe bilden, die mit dem Medium in Kontakt kommen. Dies wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Vakuumpumpe aus und erhöht die Wartungskosten. Außerdem kann das Bilden von Kondensat dazu führen, dass der durch die Pumpe erreichbare Enddruck ansteigt. Durch das Vermeiden von Kondensatbildung kann daher die Lebensdauer der Vakuumpumpe erhöht werden. Gleichzeitig kann durch die Beeinflussung des zumindest einen Betriebsparameters der Vakuumpumpe deren Dampfkapazität erhöht werden. Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe zeichnet sich daher nicht nur durch verbesserte Pumpeigenschaften, sondern auch durch eine verbesserte Lebensdauer aus.
Die Erfassungseinheit, die Bestimmungseinheit und die Steuereinheit können baulich voneinander getrennt angeordnete Einheiten sein. Sie können aber auch eine bauliche Einheit bilden, das heißt sie können in demselben Gehäuse angeordnet sein. Insbesondere sind die Erfassungseinheit, die Bestimmungseinheit und/oder die Steuereinheit Teil einer Elektronikausstattung oder Pumpensteuerung zum Steuern des Betriebs der Vakuumpumpe, die ein Bestandteil der Vakuumpumpe selbst sein kann oder baulich getrennt von der Vakuumpumpe angeordnet sein kann. Die Erfassungseinheit, die Bestimmungseinheit und/oder die Steuereinheit können als Softwaremodule der Pumpensteuerung implementiert sein, wobei die Erfassungseinheit Hardware in Form von Sensoren umfassen kann, die in der Pumpe verbaut sind.
Eine weitere Vakuumpumpe, insbesondere eine trockenlaufende Vakuumpumpe, zum Fördern eines gasförmigen Mediums umfasst ein Pumpsystem, das zumindest einen Gaseinlass und zumindest einen Auslass aufweist, und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die Vakuumpumpe in einem Kondensationsvermeidungsmodus zu betreiben, in dem zumindest ein Betriebsparameter der Vakuumpumpe, insbesondere eine Betriebstemperatur der Vakuumpumpe und/oder ein Zustand eines Gasballast-Ventils der Vakuumpumpe, beeinflusst wird, um eine Dampfkapazität der Vakuumpumpe zu erhöhen, wobei die Steuereinheit ein Betätigungsmittel umfasst, mit dem die Vakuumpumpe manuell in den Kondensationsvermeidungsmodus versetzbar ist.
Die Vakuumpumpe kann beispielsweise in den Kondensationsvermeidungsmodus, wenn die Vakuumpumpe in einem Normalbetriebsmodus betrieben wird und/oder wenn die Vakuumpumpe hochgefahren wird. Das heißt die Vakuumpumpe kann mit dem Betätigungsmittel manuell in den Kondensationsvermeidungsmodus umgeschaltet und/oder in diesem gestartet werden (z. B. wenn der Nutzer weiß, dass seine Applikation dies erfordert, z.B. weil am System Wartungsarbeiten durchgeführt wurden und zu erwarten ist, dass "feuchtes" Gas zu pumpen ist). Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich kein Kondensat in der Pumpe bildet und/oder dass bereits gebildetes Kondensat, welches sich beispielsweise während des Stillstandes der Pumpe gebildet hat, abgeführt wird.
Das manuelle Versetzen der Vakuumpumpe in den Kondensationsvermeidungsmodus kann in Reaktion auf ein bevorzugt durch die Steuereinheit bereitgestelltes, z.B. visuelles und/oder akustisches, Warnsignal erfolgen, um sicherzustellen, dass der Benutzer die Notwendigkeit des Initiierens des Kondensationsvermeidungsmodus erkennt.
Zum einfachen Betätigen kann das Betätigungsmittel eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie zum Beispiel einen Schalter, einen Knopf, ein Touch-Element und/oder eine automatische Spracherkennung umfassen. Es ist auch möglich, das Betätigungsmittel in eine Software der Steuereinheit zu integrieren, so dass es beispielsweise auf einem GUI ("graphical user interface") der Steuereinheit manuell betätigbar ist.
Die Merkmale der vorgenannten Vakuumpumpen sind bedarfsgerecht kombinierbar. Insbesondere kann die zuerst beschriebene Variante zusätzlich zu der Erfassungseinheit und der Bestimmungseinheit das manuell betätigbare Betätigungsmittel umfassen, um auch diese Pumpe manuell in den Kondensationsvermeidungsmodus versetzen zu können.
Weitere Ausführungsformen sind in den Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform unterscheidet sich ein Wert des Betriebsparameters der Vakuumpumpe im Kondensationsvermeidungsmodus von einem Wert des Betriebsparameters in einem Normalbetrieb der Vakuumpumpe, insbesondere bei ansonsten vergleichbaren Betriebsbedingungen. Der Betrag des Unterschieds der Werte kann zeitlich konstant gehalten werden und/oder zeitlich variiert werden. Beispielsweise kann der Wert des Betriebsparameters der Vakuumpumpe im Kondensationsvermeidungsmodus kontinuierlich und/oder schrittweise erhöht und/oder verringert werden, insbesondere ausgehend von einem Wert des Betriebsparameters in einem Normalbetriebsmodus der Vakuumpumpe.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet, die Vakuumpumpe in den Kondensationsvermeidungsmodus zu versetzten, wenn der Feuchtigkeitskennwert einen vorbestimmten Schwellenwert unter- oder überschreitet. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit die Vakuumpumpe automatisch in den Kondensationsvermeidungsmodus versetzen, insbesondere in diesen umschalten und/oder in diesem starten, was den Betrieb der Vakuumpumpe erheblich vereinfacht.
Der vorbestimmte Schwellenwert kann in einem Speicher der Vakuumpumpe, insbesondere der Steuereinheit, gespeichert sein. Der vorbestimmte Schwellenwert kann aber auch in einer Cloud vorgehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet, die Vakuumpumpe zyklisch in den Kondensationsvermeidungsmodus zu versetzen, um angefallenes Kondensat zu entfernen. Dies kann unabhängig von einem erfassten Betriebsparameter der Vakuumpumpe, das heißt automatisch bzw. vorsorglich erfolgen. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei einer Vakuumpumpe vorteilhaft, die keine der Erfassungseinheit und keine Bestimmungseinheit aufweist.
Die jeweilige Zeitdauer des Betriebs der Pumpe im Kondensationsvermeidungsmodus und/oder die Frequenz der Zyklen kann manuell einstellbar sein. Es ist auch möglich, bei der Bestimmung der Zyklen eine Nutzungsart und/oder -intensität der Pumpe eingehen zu lassen (z.B. Berücksichtigung der Last / Pumpendrehzahl). Die Zyklen müssen nicht zwingend regelmäßig sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet, die Scroll-Vakuumpumpe von dem Kondensationsvermeidungsmodus in einen Normalbetriebsmodus zu versetzen, wenn der durch die Bestimmungseinheit bestimmte Feuchtigkeitskennwert den vorbestimmten Schwellenwert nicht mehr unter- oder überschreitet. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet, die Betriebstemperatur der Vakuumpumpe wieder zu verringern, wenn der durch die Bestimmungseinheit bestimmte Feuchtigkeitskennwert den vorbestimmten Schwellenwert nicht mehr unter- oder überschreitet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet, den zumindest einen Betriebsparameter der Vakuumpumpe auf Basis des Feuchtigkeitskennwerts anzupassen. Das heißt die Steuereinheit kann den Betriebsparameter aktiv variieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet, den zumindest einen Betriebsparameter der Vakuumpumpe im Kondensationsvermeidungsmodus zeitlich konstant zu halten oder nach einem festen Schema zu variieren. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Betriebsparameter bedarfsgerecht schrittweise und/oder kontinuierlich geändert wird. Dadurch kann die (Wasser-)Dampfkapazität der Vakuumpumpe noch weiter erhöht werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vakuumpumpe zusätzlich eine Messeinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, zumindest einen Betriebsparameter der Vakuumpumpe zu erfassen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die Vakuumpumpe in dem Kondensationsvermeidungsmodus auf Basis des Feuchtigkeitskennwerts und des Betriebsparameters der Vakuumpumpe zu betreiben. Der Betriebsparameter kann eine Temperatur der Vakuumpumpe sein, insbesondere die Temperatur eines Bauteils des Pumpsystems.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Erfassungseinheit zumindest eine Druckmessvorrichtung zum Messen eines Drucks des Mediums. Das heißt der durch die Erfassungseinheit erfasste charakteristische Parameter ist hier der Druck des Mediums. Der Druck kann direkt oder indirekt bestimmt werden. Eine auf einem indirekten Messprinzip basierende Messvorrichtung ist weiter unten beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Erfassungseinheit zumindest einen bevorzugt am Gaseinlass angeordneten Drucksensor zum Messen eines Ansaugdrucks der Vakuumpumpe, wobei die Bestimmungseinheit dazu eingerichtet und ausgebildet ist, den Feuchtigkeitskennwert basierend auf einem zeitlichen Verlauf und/oder einem Betrag des Ansaugdrucks zu bestimmen. Das heißt der durch die Erfassungseinheit erfasste charakteristische Parameter ist hier der Ansaugdruck. Ein über einen gewissen Zeitraum zu hoher Ansaugdruck (im Vergleich z.B. zu Bedingungen, die bei einem "trockenen" Gas/Gasgemisch gleicher Zusammensetzung zu erwarten wäre) kann ein Indiz für (Wasser-)dampf im Medium sein. Ist nun beispielsweise die Betriebstemperatur der Pumpe auch noch besonders niedrig, kann es vorteilhaft sein, die Vakuumpumpe in den Kondensationsvermeidungsmodus zu versetzen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Erfassungseinheit und/oder die Messeinheit zumindest einen Feuchtigkeitssensor zum Messen einer Feuchtigkeit des Mediums bzw. einer Oberfläche der Vakuumpumpe, wobei die Bestimmungseinheit dazu eingerichtet und ausgebildet ist, den Feuchtigkeitskennwert basierend auf der gemessenen Feuchtigkeit zu bestimmen (u.U. entspricht die gemessene Feuchtigkeit dem Feuchtigkeitskennwert).
Die genannten Methoden zum Bestimmen des Feuchtigkeitskennwerts können bedarfsgerecht kombiniert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vakuumpumpe ferner eine Temperaturregelvorrichtung zum Beeinflussen der Betriebstemperatur der Vakuumpumpe, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die Betriebstemperatur der Vakuumpumpe durch Steuern der Temperaturregelvorrichtung zu beeinflussen, insbesondere zu erhöhen. Dadurch kann auf einfache und effektive Art und Weise die Dampfkapazität der Vakuumpumpe verbessert und gleichzeitig ihre Lebensdauer erhöht werden.
Die Temperaturregelvorrichtung ist bevorzugt am Auslass oder kurz davor angeordnet, da dort am wahrscheinlichsten Kondensation auftritt. Diese Anordnung macht die Temperaturregelung daher besonders effizient.
Für eine besonders kompakte und robuste Bauform kann die Temperaturregelvorrichtung in einem Gehäuse, insbesondere einer Haube, der Vakuumpumpe integriert sein.
Die Temperaturregelvorrichtung kann einen Lüfter umfassen oder als solcher ausgestaltet sein, der bevorzugt einen drehbar gelagerten Propeller zum Erzeugen eines Luftstroms aufweist, um Hitze von der Vakuumpumpe abzuführen. Im Falle einer Scroll-Vakuumpumpe kann die Drehachse des Propellers koaxial mit dem feststehenden Spiralbauteil angeordnet sein. Der Lüfter ist bevorzugt selektiv steuerbar, um die Wärmeabfuhr bedarfsgerecht anpassen zu können.
Das Steuern der Temperaturregelvorrichtung durch die Steuereinheit kann ein Verringern einer Drehzahl der Temperaturregelvorrichtung, insbesondere auf 10% bis 60%, insbesondere 20% bis 50%, insbesondere 30% bis 40% der maximalen Drehzahl der Temperaturregelvorrichtung umfassen. Insbesondere kann dadurch eine Erhöhung der Betriebstemperatur der Vakuumpumpe um ca. 5 °C bis 15 °C erzielt werden. Diese vergleichsweise geringe Temperaturänderung reicht überraschenderweise bereits aus, um die Dampfkapazität der Vakuumpumpe erheblich zu erhöhen. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Lüfter zyklisch abgeschaltet wird, was besonders einfach umzusetzen ist, insbesondere bei vergleichsweise kostengünstigen Lüftern, bei denen keine Drehzahlregelung möglich ist.
Das Steuern der Temperaturregelvorrichtung durch die Steuereinheit kann auch ein Abschalten der Temperaturregelvorrichtung umfassen, um die Betriebstemperatur der Vakuumpumpe noch schneller zu erhöhen.
Das Abschalten der Temperaturregelvorrichtung und/oder das Verringern der Drehzahl der Temperaturregelvorrichtung kann zeitlich begrenzt erfolgen, um zu verhindern, dass die Vakuumpumpe zu heiß wird und Komponenten der Pumpe Schaden nehmen. Insbesondere kann die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet sein, die Drehzahl der Temperaturregelvorrichtung wieder zu erhöhen und/oder die Temperaturregelvorrichtung entsprechend anzusteuern, wenn die Betriebstemperatur der Vakuumpumpe einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Zusätzlich oder alternativ kann die Temperaturregelvorrichtung zumindest ein Heizelement und/oder zumindest eine Heizpatrone umfassen oder als solche ausgestaltet sein, um lokal die Betriebstemperatur der Vakuumpumpe zu erhöhen. Der Lüfter und das Heizelement und/oder die Heizpatrone können bedarfsgerecht kombiniert werden, um eine optimale Steuerung der Pumpentemperatur zu erzielen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vakuumpumpe zumindest ein steuerbares Gasballast-Ventil, das durch die Steuereinheit ansteuerbar ist. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet, das Gasballast-Ventil im Kondensationsvermeidungsmodus bedarfsgerecht zumindest teilweise zu öffnen und/oder zu schließen, um dem Bilden von Kondensat innerhalb der Pumpe entgegenzuwirken. Das heißt der zu beeinflussende Betriebsparameter ist hier ein (Öffnungs-)Zustand des Gasballast-Ventils. Durch Betätigen des Gasballast-Ventils wird zusätzlich trockenes Gas in die Pumpe eingeleitet, was die Dampfverträglichkeit erhöht. Die Dampfverträglichkeit lässt sich auch durch eine höhere Gasballast-Menge verbessern.
Dieses Konzept lässt sich zusätzlich oder alternativ zu einer Beeinflussung eines anderen Betriebsparameters (z.B. der Temperatur) umsetzen. Das heißt die genannten Konzepte zum Beeinflussen des zumindest einen Betriebsparameters der Vakuumpumpe können bedarfsgerecht kombiniert werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Feuchte eines Mediums, insbesondere eines Wasserdampfgehalts in einem gasförmigen Medium, insbesondere für eine Vakuumpumpe zum Fördern eines gasförmigen Mediums, bevorzugt gemäß zumindest einem der vorherigen Ausführungsformen.
Die Messvorrichtung umfasst zumindest einen Piezo-Drucksensor, insbesondere zumindest einen piezoelektrischen Drucksensor und/oder zumindest einen piezoresistiven Drucksensor, zumindest einen Pirani-Drucksensor, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, einen Feuchtigkeitskennwert, der ein Maß für eine Feuchte des Mediums, insbesondere ein Maß für einen Wasserdampfgehalt in dem Medium, ist, basierend auf einer Differenz zwischen einem durch den Piezo-Drucksensor gemessenen ersten Druckwert und einem durch den Pirani-Drucksensor gemessenen zweiten Druckwert zu bestimmen.
Der erste Druckwert ist unabhängig von der Feuchte bzw. des Wasserdampfgehalts des Mediums, da er basierend auf dem piezoelektrischen Effekt gemessen wird. Insbesondere hat die Feuchtigkeit des Mediums auf die am Piezo-Kristall des Piezo-Drucksensors abgegriffene Spannung, die ein Maß für den auf den Piezo-Kristall wirkenden Druck ist, keinen Einfluss. Der erste Druckwert dient daher als Referenzwert. Der zweite Druckwert hingegen ist abhängig von der Feuchtigkeit des Mediums, da der Wärmeübertrag von dem Messdraht des Pirani-Drucksensors auf das Medium nicht nur abhängig vom Druck des Mediums, sondern auch von der Zusammensetzung des Mediums ist. Die Differenz zwischen dem ersten und zweiten Druckwert ist daher - bei bekannter Gaszusammensetzung - ein Maß für die Feuchte des Mediums. Diese Art der Bestimmung des Feuchtigkeitskennwerts ist besonders einfach und kostengünstig. Eine Eichung der Messvorrichtung kann für jede zu pumpende Gaszusammensetzung in einem "trockenen" Zustand erfolgen. In diesem Fall sollten der erste und der zweite Druckwert nicht wesentlich voneinander abweichen.
Der Piezo-Drucksensor kann zumindest einen piezoelektrischen Drucksensor und/oder zumindest einen piezoresistiven Drucksensor umfassen.
Bei einer Verwendung der Messvorrichtung in einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe kann die Auswerteeinheit in die Bestimmungseinheit integriert sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe zum Fördern eines gasförmigen Mediums, insbesondere gemäß zumindest einem der vorherigen Ausführungsformen.
Das Verfahren umfasst ein Erfassen zumindest eines charakteristischen Parameters des Mediums, ein Bestimmen eines Feuchtigkeitskennwerts, der ein Maß für eine Feuchte des Mediums, insbesondere ein Maß für einen Wasserdampfgehalt in dem Medium, ist, basierend auf dem zumindest einen charakteristischen Parameter und/oder einem zeitlichen Verlauf des zumindest einen charakteristischen Parameters, und ein Betreiben der Vakuumpumpe in einem Kondensationsvermeidungsmodus, in dem zumindest ein Betriebsparameter der Vakuumpumpe, insbesondere die Betriebstemperatur der Vakuumpumpe und/oder ein Zustand eines Gasballast-Ventils der Vakuumpumpe, beeinflusst wird, um eine Dampfkapazität der Vakuumpumpe zu erhöhen.
Die in Bezug auf die Vakuumpumpen beschriebenen Merkmale der Erfindung sind auf die Messvorrichtung und das Verfahren übertragbar.
Die erfindungsgemäßen Vakuumpumpen zeichnet sich durch eine verbesserte Lebensdauer und eine erhöhte Dampfkapazität aus.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a: eine Querschnittansicht einer Scroll-Vakuumpumpe,
Fig. 1b, 1c: vergrößerte Ansicht bzw. Detailansichten der Scroll-Vakuumpumpe von Fig. 1a,
Fig. 2: eine Seitenansicht der Scroll-Vakuumpumpe von Fig. 1a,
Fig. 3: eine Darstellung eines Teils des Pumpsystems der Scroll-Vakuumpumpe von Fig. 1a,
Fig. 4: eine Querschnittansicht eines Teils der Scroll-Vakuumpumpe von Fig. 1a,
Fig. 5: ein Blockschaltbild der Elektronikausstattung der Scroll-Vakuumpumpe von Fig. 1a, und
Fig. 6: eine Blockschaltbild einer Messvorrichtung zur Bestimmung einer Feuchte eines gasförmigen Mediums.

Die in Fig. 1a gezeigte Scroll-Vakuumpumpe umfasst ein Pumpsystem mit einem feststehenden Spiralbauteil 11 und einem beweglichen Spiralbauteil 13, die während des Betriebs pumpwirksam zusammenwirken. Ferner umfasst die Scroll-Vakuumpumpe eine im Betrieb um eine Drehachse 15 rotierende Antriebswelle 17 mit einem Exzenterabschnitt 19 zum Antreiben des beweglichen Spiralbauteils 13.
Die Scroll-Vakuumpumpe ist mit einem elektrischen Antriebsmotor 21, 23 versehen, der dazu dient, die Antriebswelle 17 in Rotation um die Drehachse 15 zu versetzen. Der elektrische Antriebsmotor umfasst einen radial inneren Motorrotor 21 und einen radial äußeren Motorstator 23.
Die Antriebswelle 17 ist an zwei in axialer Richtung beabstandeten Lagerstellen 25, 27 drehbar am Pumpengehäuse 41 gelagert. Das vordere Wälzlager 25 ist als Festlager ausgebildet, während das hintere Wälzlager 27 als Loslager ausgebildet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich die beiden Lagerstellen 25, 27 auf der dem Exzenterabschnitt 19 der Antriebswelle 17 zugewandten Seite des Antriebsmotors 21, 23 befinden. Alle Lagerstellen 25, 27 befinden sich somit innerhalb des Pumpengehäuses 41 vor dem Antriebsmotor 21, 23. Der Exzenterabschnitt 19 ist einstückig mit dem vorderen Ende der Antriebswelle 17 verbunden und der Antriebsmotor 21, 23 sitzt auf dem hinteren Ende der Antriebswelle 17.
Der Antriebsmotor 21, 23 kann durch diesen Grundaufbau auf das hintere Ende der Antriebswelle 17 aufgeschoben werden, was die Montage und das Austauschen des Antriebsmotors oder von Teilen des Antriebsmotors vereinfacht.
Das Wuchtkonzept zum Auswuchten des unter anderem die Antriebswelle 17 und das bewegliche Spiralbauteil 13 umfassenden rotierenden Systems umfasst ein mittels einer Schraube 38 an der Antriebswelle 17 befestigtes vorderes Wuchtgewicht 29 und ein hinteres Wuchtgewicht 31. Das vordere Wuchtgewicht 29 ist dabei im Bereich des vorderen Endes der Antriebswelle 17 und des Exzenterabschnitts 19 angeordnet. Das hintere Wuchtgewicht 31 befindet sich vor der hinteren Lagerstelle 27 und damit vor dem Antriebsmotor 21, 23.
Optional ist ferner ein auf das hintere Ende der Antriebswelle 17 stirnseitig aufgesetztes Druckelement 87 (Fig. 1b) vorgesehen, welches rotationssymmetrisch ausgebildet ist und damit nicht als Wuchtgewicht dient.
Das Druckelement 87 bzw. das Wuchtgewicht 31 sind jeweils mit einer Schraube 83 mit der Antriebswelle 17 verbunden. Hierdurch ist jeweils der Motorrotor 21 zwischen dem rotationssymmetrischen Druckelement 87 bzw. dem gleichzeitig als Wuchtgewicht ausgebildeten Druckelement 31 einerseits und einem Widerlager eingespannt, wobei dieses Widerlager von einer an der Antriebswelle 17 ausgebildeten Schulter 17a gebildet ist.
Ferner ist ein Hülsenelement 33 vorgesehen, das zwischen der Antriebswelle 17 und dem Motorrotor 21 angeordnet ist. Das Hülsenelement 33 ist drehfest mit dem Motorrotor 21 verbunden, wobei diese Verbindung zwischen Motorrotor 21 und Hülsenelement 33 durch Verpressen hergestellt ist. Somit kann die miteinander verpresste Einheit aus Motorrotor 21 und Hülsenelement 33 bei der Montage auf das hintere Ende der Antriebswelle 17 aufgeschoben werden. Hierbei ist zwischen dem Hülsenelement 33 und der Antriebswelle 17 eine Spielpassung vorhanden.
Im Bereich der erwähnten Schulter 17a ist zwischen dem Hülsenelement 33 und dem Loslager 27 eine Wellfeder 99 angeordnet.
Als Positionierhilfe für das Druckelement 87 bzw. das Wuchtgewicht 31, als Verdrehsicherung beim Anziehen der Schraube 83 sowie als in Umfangsrichtung wirksame Formschlussverbindung zwischen dem Motorrotor 21 bzw. dem Hülsenelement 33 einerseits und der Antriebswelle 17 andererseits dient ein stiftförmiges Positionierelement 85. Dieser Positionierstift 85 erstreckt sich parallel zur Drehachse 15 der Antriebswelle 17 und ist mit radialem Abstand von der Drehachse 15 angeordnet. Der Positionierstift 85 ist bei der Montage in axialer Richtung in eine Aussparung einschiebbar, die gemeinsam von der Antriebswelle 17 einerseits und dem Motorrotor 21 bzw. dem mit dem Motorrotor 21 drehfest verbundenen Hülsenelement 33 gebildet ist. Im montierten Zustand steht der Positionierstift 85 axial nach hinten vor und ist mit seinem hinteren Ende in eine Positionieraufnahme aufgenommen, die auf der dem hinteren Ende der Antriebswelle 17 zugewandten Seite des Druckelements 87 bzw. 31 als Sackloch ausgebildet ist.
Das erwähnte Einspannen des Motorrotors 21 mittels des Druckelementes 87 bzw. 31 erfolgt dadurch, dass das Druckelement 87 bzw. 31 mit dem axial hinteren Ende des Hülsenelementes 33 bzw. mit dem Motorrotor 21 zusammenwirkt.
Als Montagehilfe beim Einpressen des Hülsenelementes 33 in den Motorrotor 21 ist am im montierten Zustand vorderen Ende des Motorrotors 21 ein radialer Einstich 101 vorgesehen, der als Markierung für die Monteurperson dient und dieser somit die Einbauorientierung des Motorrotors 21 anzeigt.
Der Antriebsmotor ist nicht vollständig innerhalb des Pumpengehäuses 41 angeordnet. Der Motordeckel 103 besitzt einen Aufnahmeraum, der eine axiale Tiefe aufweist, die derart bemessen ist, dass das axial nach hinten aus dem Pumpengehäuse 41 heraus vorstehende hintere Ende des Antriebsmotors in diesen Aufnahmeraum aufgenommen ist.
Zudem ist vorgesehen, dass der Motorrotor 21 an seiner hinteren Stirnseite mit in axialer Richtung vorstehenden Kühlvorsprüngen 47 versehen ist. Eine Besonderheit besteht hier darin, dass diese Kühlvorsprünge 47 nur an dieser hinteren Stirnseite des Motorrotors 21 angeordnet sind und die vordere Stirnseite des Motorrotors 21 keine derartigen Kühlvorsprünge aufweist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise axialer Bauraum eingespart werden. Die Kühlvorsprünge 47 sind derart ausgebildet, dass sie jeweils als Wuchtgewicht wirksam sind.
Am vorderen Ende des Pumpengehäuses 41 befindet sich das Pumpsystem mit dem feststehenden Spiralbauteil 11 und dem beweglichen Spiralbauteil 13. Das auch als Spiralgehäuse bezeichnete feststehende Spiralbauteil 11 ist auf das vordere Ende des Pumpengehäuses 41 stirnseitig aufgeschraubt und von einer ebenfalls am Pumpengehäuse 41 angebrachten Haube 105 umgeben.
In der Haube 105 ist eine Temperaturregelvorrichtung zum Regeln der Betriebstemperatur der Scroll-Vakuumpumpe untergebracht. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Temperaturregelvorrichtung als Lüfter 95 ausgestaltet ist. Der Lüfter 95 ist mit einer Versorgungsspannung von 24V, 48V oder 230V betreibbar. Der Betrieb des Lüfters 95 ist durch eine Steuereinheit 115 einer Elektronikausstattung 45 der Scroll-Vakuumpumpe steuerbar, auf die später in Bezug auf Fig. 5 näher eingegangen wird.
Das bewegliche Spiralbauteil 13 ist über ein als Wälzlager ausgebildetes Flanschlager 91 mit dem Exzenterabschnitt 19 verbunden. Axial zwischen dem beweglichen Spiralbauteil 13 und dem Exzenterabschnitt 19 befindet sich eine Druckscheibe 93. Zwischen einer umlaufenden Schulter der Antriebswelle 17 am Übergang in den Exzenterabschnitt 19 und dem Flanschlager 91 befindet sich eine Passscheibe 94. Die korrekte Ausrichtung in Umfangsrichtung zwischen dem feststehenden Spiralbauteil 11 und dem Pumpengehäuse 41 ist durch einen Positionierstift 97 gewährleistet.
In Fig. 3 ist das Zusammenwirken der ineinandergesteckten Spiralwände 49, 69 der Spiralbauteile 11, 13 gezeigt, die abschnittsweise halbmond- bzw. sichelförmige Volumina umschließen. Während des Betriebs der Pumpe gelangt über den Gaseinlass 67, der in Fig. 3 nur hinsichtlich seiner Position angedeutet ist, einströmendes Gas zur Mitte des Pumpsystems und über die Eintrittsöffnung 55 in den Auslasskanal 59 (vgl. Fig. 4), wenn sich das Auslassventil 56 bei ausreichend hohem Druck öffnet. Über den Auslasskanal 59 gelangt das gepumpte Gas zu dem radialen Auslass 57 und somit zum Auslassflansch 78, wenn - wie in Fig. 4 gezeigt - die axiale Auslassöffnung 65 mittels eines Stopfens 66 verschlossen ist.
In einer alternativen Konfiguration kann der radiale Auslass 57 verschlossen und der Stopfen 66 entfernt werden, um auf diese Weise einen axialen Auslass aus dem Pumpsystem zu schaffen.
Entsteht während des Betriebs im Pumpsystem ein Überdruck, kann dieser durch die Überdruckventile 61b, 63b abgebaut werden, um eine übermäßig hohe Leistungsaufnahme der Scroll-Vakuumpumpe zu vermeiden. Eine Besonderheit dieser Anordnung besteht darin, dass mehrere - hier zwei - Bypasskanäle 61, 63 mit jeweils genau einem Überdruckventil 61b bzw. 63b vorgesehen sind (vgl. Fig. 4). Hierdurch wird erreicht, dass die Scroll-Vakuumpumpe bei vergleichsweise geringer Leistungsaufnahme ein relativ hohes Saugvermögen besitzt.
Der Darstellung in Fig. 2, die eine Ansicht der Scroll-Vakuumpumpe auf die Haube 105 zeigt, ist die Anordnung eines Einlassflansches 77 und die Anordnung eines Auslassflansches 78 zu entnehmen. Über den Einlassflansch 77 gelangt das zu pumpende Gas in das die beiden Spiralbauteile 11, 13 umfassende Pumpsystem und wird über den Auslassflansch 78 ausgestoßen.
Die Scroll-Vakuumpumpe ist mit einem dreiphasigen Asynchronmotor 21, 23 zum Antreiben der Antriebswelle 17 versehen. Der Durchmesser der Antriebswelle 17 im Bereich des Hülsenelementes 33 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 24 mm. Zur Anpassung des Durchmessers der Antriebswelle 17 in diesem Bereich an den Innendurchmesser des Motorrotors 21 dient das entsprechend bemessene, mit dem Motorrotor 21 verpresste Hülsenelement 33. Als Drehantrieb für die Antriebswelle 17 kann aber auch ein einphasiger IPM-Motor (IPM = Internal Permanent Magnet) oder ein Synchron-Reluktanzmotor dienen. Die Wahl des Antriebsmotors erfolgt im Hinblick auf die gewünschte Leistungsfähigkeit, einen angestrebten Energieverbrauch sowie auf Kundenwünsche und Applikationsbedingungen. Derartige Motoren, insbesondere IPM-Motoren, weisen sich durch eine hohe Effizienz aus.
Das Wuchtsystem umfasst zum Auswuchten des insbesondere die Antriebswelle 17 und das bewegliche Spiralbauteil 13 des Pumpsystems umfassenden rotierenden Systems jeweils ein vorderes Wuchtgewicht 29 und ein hinteres Wuchtgewicht 31. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich das hintere Wuchtgewicht 31 vor der hinteren Lagerstelle 27. Das Druckelement 87 zum Einspannen des Motorrotors 21 ist hier rotationssymmetrisch ausgeführt.
Die beiden Wuchtgewichte 29, 31 bestehen aus dem gleichen Material, beispielsweise aus Stahl. Die beiden Wuchtgewichte 29, 31 können aber aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist dementsprechend vorgesehen, dass das vordere Wuchtgewicht 29 aus Messing und das hintere Wuchtgewicht 31 aus Stahl gefertigt ist.
Der von der Antriebswelle 17 mit dem Exzenterabschnitt 19 gebildete Exzenterantrieb befindet sich innerhalb des Pumpengehäuses 41 und ist von einer verformbaren Hülse in Gestalt eines Wellbalgs 89 umgeben. Der Wellbalg 89 dient einerseits zur Abdichtung des Exzenterantriebs gegenüber dem Ansaugbereich der Scroll-Vakuumpumpe und andererseits als Drehsicherung für das bewegliche Spiralbauteil 13. Hierzu ist der Wellbalg 89 an der dem Antrieb zugewandten Seite des beweglichen Spiralbauteils 13 befestigt. Das hintere Ende des Wellbalgs 89 ist innerhalb des Pumpengehäuses 41 an einem Gehäusegrund mittels Schrauben angebracht.
Das Pumpengehäuse 41 ist auf einer Basis abgestützt, die von einem Elektronikgehäuse 43 gebildet ist (vgl. Fig. 1a und 1b). Das Elektronikgehäuse 43 umfasst ein Gehäuseteil 43a, das an seiner Unterseite mit Füßen 107 aus Gummi versehen ist, die in an der Unterseite ausgebildeten Vertiefungen aufgenommen und insofern versenkt angeordnet sind.
In dem Elektronikgehäuse 43 ist eine Elektronikausstattung 45 untergebracht, die elektronische, elektrische und elektromechanische Komponenten umfasst, die unter anderem zur Stromversorgung und zur Steuerung der Scroll-Vakuumpumpe dienen. Das Pumpengehäuse 41 ist mit dem Elektronikgehäuse 43 verschraubt.
Der vorstehend beschriebene, effiziente Betrieb der Scroll-Vakuumpumpe mittels eines IPM-Motors und aufgrund des trockenen Pumpsystems hat unter anderem den Vorteil, dass sich die Komponenten der Scroll-Vakuumpumpe im Betrieb vergleichsweise wenig erwärmen. Insbesondere bleibt das Pumpsystem der Scroll-Vakuumpumpe vergleichsweise kühl. Dies wiederum hat den Vorteil, dass der Verschleiß der Komponenten der Scroll-Vakuumpumpe geringer ist als bei anderen Pumpentypen, was sich positiv auf die Lebensdauer und die Wartungskosten auswirkt. Analoges gilt für Wälzkolben-Vakuumpumpen.
Es wurde jedoch erkannt, dass sich die vergleichsweise niedrigen Bauteiltemperaturen dann bemerkbar machen, wenn feuchte gasförmige Medien, insbesondere mit einem gewissen Wasserdampfanteil, gepumpt werden. Feuchte Gase neigen nämlich dazu, an kühlen Oberflächen der Pumpe zu kondensieren. Insbesondere wurde ermittelt, dass feuchte, insbesondere wasserdampfhaltige, Medien bevorzugt am feststehenden und/oder beweglichen Spiralbauteil 11, 13 nahe der Öffnung 55 kondensieren, insbesondere im Bereich der letzten zwei bis drei Spiralwindungen (siehe Fig. 3). Durch die Kondensatbildung können Teile der Pumpe korrodieren und/oder es können sich Ablagerungen bilden, was die Lebensdauer von Scroll-Vakuumpumpen verringert.
Naheliegende Gegenmaßnahmen zum Vermeiden bzw. Verhindern von Kondensatbildung, wie zum Beispiel ein Reduzieren der Pumpleistung, wirken sich jedoch negativ auf die Dampfkapazität von Scroll-Vakuumpumpen aus. Es ist jedoch wünschenswert, dass Scroll-Vakuumpumpen sowohl eine möglichst lange Lebensdauer als auch eine möglichst hohe (Wasser-)Dampfkapazität aufweisen.
Überraschenderweise wurde erkannt, dass sich die vorstehend beschriebene Problematik elegant lösen lässt, indem ein Betriebsparameter der Pumpe verändert wird. Insbesondere wird der Parameter bewusst anders gewählt, als er herkömmlicherweise bei vergleichbaren Betriebsbedingungen eingestellt werden würde. D.h. Im Vergleich zu einem Normalbetrieb wird ein besonderer Betriebsmodus gewählt (Kondensationsvermeidungsmodus), in dem beispielsweise die Betriebstemperatur und/oder ein Zustand eines Gasballast-Ventils der Vakuumpumpe im Vergleich zu einem Normalbetrieb verändert wird.
Insbesondere wird der Betriebsparameter so verändert, dass sich eine Temperatur eines Teils des Pumpsystems erhöht, um die Kondensationsneigung zu verringern. Bereits eine vergleichsweise geringe Temperaturerhöhung kann zu einer merklich erhöhten (Wasser-)Dampfverträglichkeit und/oder die (Wasser-)Dampfkapazität führen.
Zusätzlich oder alternativ wird durch Betätigen eines Gasballast-Ventils (siehe Bezugszeichen 79) zusätzlich trockenes Gas in die Vakuumpumpe eingeleitet, was die Dampfverträglichkeit erhöht. Die Dampfverträglichkeit lässt sich auch durch eine höhere Gasballast-Menge verbessern.
Wie eingangs erwähnt ist die (Wasser-)Dampfverträglichkeit nach ISO21360 definiert. Hierbei ist die Abgas- bzw. die Auslasstemperatur der Pumpe entscheidend. Da der Lüfter bei Scroll-Pumpen oft nahe an dem Auslass angeordnet ist, kann durch Regelung des Lüfters unmittelbar Einfluss auf die Dampfverträglichkeit genommen werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die vorgenannte Erhöhung der Temperatur der Scroll-Vakuumpumpe basierend auf einer Messgröße bzw. einem Parameter, der das zu fördernde gasförmige Medium charakterisiert. Diese Messgröße ist beispielsweise ein Druck und/oder eine Temperatur des Mediums, ein Ansaugdruck der Scroll-Vakuumpumpe, eine Zusammensetzung des Mediums, eine Feuchtigkeit des Mediums, etc. Je nach Anwendungsfall können auch weitere Kenngrößen mit eingehen.
Zu diesem Zweck umfasst die Elektronikausstattung 45 der beispielhaft beschriebenen Scroll-Vakuumpumpe eine Erfassungseinheit 111, eine Bestimmungseinheit 113 und eine Steuereinheit 115 (siehe Fig. 5), wobei die in Fig. 5 nicht gezeigten Sensorkomponenten der Erfassungseinheit 111 bevorzugt im Inneren der Scroll-Vakuumpumpe verbaut sind, insbesondere im Bereich des Auslasses 57 oder stromaufwärts davon, eventuell sogar derart, dass der Druck im Inneren des Pumpsystems messbar ist. Bevorzugt wird der charakteristische Parameter des Mediums im Inneren des Pumpsystems ermittelt (z.B. benachbart zu der Öffnung 55), da die Kondensationsproblematik in der Regel hier am Größten ist.
Die Erfassungseinheit 111 ist dazu eingerichtet, den vorstehend erwähnten charakteristischen Parameter des Mediums zu bestimmen. Zum Messen des Ansaugdrucks der Scroll-Vakuumpumpe kann die Erfassungseinheit 111 beispielsweise zumindest einen bevorzugt bei dem Gaseinlass 67 (siehe Fig. 3) angeordneten Drucksensor (nicht gezeigt) umfassen.
Zum Messen des Drucks des Mediums kann die Erfassungseinheit 111 zusätzlich oder alternativ einen Piezo-Drucksensor zum Messen eines ersten Druckwerts, der unabhängig von der Feuchtigkeit des Mediums ist, und zumindest einen Pirani-Drucksensor zum Messen eines zweiten Druckwerts, der abhängig von der Feuchte des Mediums ist. Bei dem Piezo-Drucksensor handelt es sich um einen piezoresistiven und/oder einen piezoelektrischen Drucksensor.
Die Bestimmungseinheit 113 ist dazu vorgesehen, um einen Feuchtigkeitskennwert basierend auf einer Differenz zwischen dem durch den Piezo-Drucksensor gemessenen Druckwert und dem durch den Pirani-Drucksensor gemessenen Druckwert zu bestimmen. Der Feuchtigkeitskennwert ist ein Maß für eine Feuchte des Mediums, insbesondere für einen Wasserdampfgehalt in dem Medium.
Optional ist die Bestimmungseinheit 113 dazu eingerichtet, den Feuchtigkeitskennwert basierend darauf zu bestimmen, dass der durch den Drucksensor der Erfassungseinheit 111 gemessene Ansaugdruck konstant hoch ist, da dies ein Indiz für Feuchtigkeit in dem angesaugten Gas/Gasgemisch ist. Bei dieser Methode der Bestimmung des Feuchtigkeitskennwerts wird beispielsweise auch die Betriebstemperatur der Pumpe und/oder die Temperatur und/oder die (molekulare) Zusammensetzung des Gases berücksichtigt.
Die genannten Techniken zum Bestimmen des Feuchtigkeitskennwerts können kombiniert werden, um ein möglichst genaues Ergebnis zu erhalten.
Der Piezo-Drucksensor 119 und der Pirani-Drucksensor 121 können auch Teil einer in Fig. 6 schematisch dargestellten Messvorrichtung 117 zur Bestimmung einer Feuchte des Mediums, insbesondere eines Wasserdampfgehalts in dem gasförmigen Medium, sein.
Die Messvorrichtung 117 umfasst auch eine Auswerteeinheit 123, die dazu eingerichtet ist, den Feuchtigkeitskennwert basierend auf der Differenz zwischen dem durch den Piezo-Drucksensor 119 gemessenen Druckwert und dem durch den Pirani-Drucksensor 121 gemessenen Druckwert zu bestimmen.
Zusätzlich umfasst die Messvorrichtung 117 eine nicht gezeigte Kommunikationsschnittstelle zum Austausch von Daten mit einer externen Vorrichtung wie zum Beispiel der Elektronikausstattung 45. Insbesondere ist die Auswerteeinheit 123 dazu eingerichtet, den Feuchtigkeitskennwert an die Steuereinheit 115 zu übertragen. Das heißt die Messvorrichtung 117 kann die Funktionen der Erfassungs- und Bestimmungseinheit 111, 113 ausführen.
Optional kann der Drucksensor 119 der Messvorrichtung 117 dazu verwendet werden, um den Ansaugdruck der Pumpe zu erfassen, sodass nur eine Druckmessvorrichtung benötigt wird.
Druckmessungen im Ansaugbereich, im Auslassbereich und/oder im Inneren des Pumpsystems können auch durch separate Drucksensoren erfolgen.
Die Steuereinheit 115 kann die Scroll-Vakuumpumpe automatisch in einen Kondensationsvermeidungsmodus versetzen, wenn der Feuchtigkeitskennwert einen vorbestimmten Schwellenwert unter- oder überschreitet. Dabei wird die Betriebstemperatur der Pumpe durch Verringern der Drehzahl des Lüfters 95 erhöht, beispielsweise um 5 °C bis 15 °C, sodass sich sowohl kein Kondensat innerhalb der Pumpe bildet als auch die Dampfkapazität der Pumpe erhöht wird. Insbesondere wurde erkannt, dass diese vergleichsweise geringe Temperaturerhöhung bereits ausreicht, um die Dampfkapazität der Scroll-Vakuumpumpe um bis zu 100% zu erhöhen. Gleichzeitig bleibt die Scroll-Vakuumpumpe im Kondensationsvermeidungsmodus so kühl, dass der Verschleiß der Pumpe gering bleibt.
Um ein Überhitzen der Scroll-Vakuumpumpe sicher zu vermeiden, ist die Steuereinheit 115 auch dazu eingerichtet, die Drehzahl des Lüfters 95 wieder zu erhöhen, wenn die Betriebstemperatur der Pumpe einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Diese Gegensteuerung kann als Teil des Kondensationsvermeidungsmodus erfolgen, das heißt es wird in Kompromiss zwischen Kondensationsvermeidung und Schonung der Pumpe erzielt.
Ferner ist die Steuereinheit 115 dazu eingerichtet, die Scroll-Vakuumpumpe automatisch in dem Kondensationsvermeidungsmodus hochzufahren, beispielsweise falls sich Kondensat während des Stillstands der Pumpe gebildet hat. Verfügt die Vakuumpumpe nicht über die notwendige Sensorik, so kann der Kondensationsmodus auch manuell bzw. nutzerseitig aktiviert werden.
Außerdem ist die Steuereinheit 115 dazu eingerichtet, die Scroll-Vakuumpumpe automatisch von dem Kondensationsvermeidungsmodus wieder in den Normalbetriebsmodus zu versetzen, wenn der Feuchtigkeitskennwert den vorbestimmten Schwellenwert nicht mehr unter- oder überschreitet oder nach einer bestimmten Zeitdauer, die erfahrungsgemäß ausreicht, um feuchtes Gas aus dem zu evakuierenden Rezipienten zu entfernen.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Scroll-Vakuumpumpe während des Normalbetriebs oder im ausgeschalteten Zustand manuell in den Kondensationsvermeidungsmodus versetzt werden kann. Dies kann durch Betätigen einer Mensch-Maschine-Schnittstelle der Pumpe erfolgen.
Das Regeln der Pumpentemperatur kann auch unter Berücksichtigung eines Betriebsparameters der Pumpe selbst erfolgen.
Zu diesem Zweck kann die Scroll-Vakuumpumpe eine nicht gezeigte Messeinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Betriebsparameter der Vakuumpumpe zu erfassen. Die Steuereinheit 115 ist entsprechend dazu eingerichtet, die Scroll-Vakuumpumpe in dem Kondensationsvermeidungsmodus nicht nur auf Basis des Feuchtigkeitskennwerts, sondern auch basierend auf dem Betriebsparameter der Scroll-Vakuumpumpe zu betreiben. Dieser Parameter kann eine Temperatur sein, insbesondere eine Temperatur eines Teils des Pumpsystems (z.B. eine Temperatur des Bauteils 11 und/oder 13).
Die Erfassungseinheit 111 und/oder die Messeinheit umfassen einen Feuchtigkeitssensor (nicht gezeigt) zum Messen einer Feuchtigkeit des Mediums bzw. einer Oberfläche eines Teils des Pumpsystems der Scroll-Vakuumpumpe. Die Bestimmungseinheit 113 ist entsprechend dazu eingerichtet, den Feuchtigkeitskennwert auch basierend auf der gemessenen Feuchtigkeit zu bestimmen.
In der Fig. 1c sind Schnitte B-B des Bereichs der Scroll-Vakuumpumpe dargestellt, an dem ein Gasballast-Ventil 79 angeordnet ist. Das links gezeigte Gasballast-Ventil 79 ist mit einem Verschlussdeckel 81 versehen. Das rechts gezeigte Gas-Ballastventil 79 hingegen weist einen Drehknopf 82 zur Vornahme von Einstellungen auf.
Die Steuereinheit 115 kann dazu eingerichtet sein, in dem Kondensationsvermeidungsmodus das Gasballast-Ventil 79 automatisch zu betätigen, um die Dampfkapazität der Scroll-Vakuumpumpe zu erhöhen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Gasballast-Ventil 79 im Kondensationsvermeidungsmodus manuell betätigt wird.
Das Steuern der Drehzahl des Lüfters 95 und das Betätigen des Gasballast-Ventils 79 kann je nach Bedarf jeweils einzeln oder in Kombination erfolgen.
Die vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich - je nach Ausführungsform - ohne oder nur mit wenigen zusätzlichen Komponenten und/oder einfachen konstruktiven Maßnahmen umsetzen, ggf. sogar nur durch ein Softwareupdate. In einigen Fällen können sogar bekannte Systeme einfach nachgerüstet werden.

Bezugszeichenliste

11: feststehendes Spiralbauteil, Spiralgehäuse
13: bewegliches Spiralbauteil, Orbiter
15: Drehachse
17: Antriebswelle
17a: Schulter
19: Exzenterabschnitt
21: Motorrotor
23: Motorstator
25: vordere Lagerstelle (Festlager)
27: hintere Lagerstelle (Loslager)
29: vorderes Wuchtgewicht
31: hinteres Wuchtgewicht
33: Hülsenelement
38: Schraube
39: Wuchtabschnitt des hinteren Wuchtgewichts
41: Pumpengehäuse
43: Elektronikgehäuse
45: Elektronikausstattung
47: Kühlvorsprung
49: Spiralwand des feststehenden Spiralbauteils
55: Eintrittsöffnung
56: Auslassventil
57: Auslass
59: Auslasskanal
61: Bypasskanal
61a: Bypassöffnung
61b: Überdruckventil
63: Bypasskanal
63a: Bypassöffnung
63b: Überdruckventil
63c: Öffnung
65: axiale Auslassöffnung
66: Stopfen
67: Gaseinlass des Pumpsystems
69: Spiralwand des beweglichen Spiralbauteils
77: Einlassflansch
78: Auslassflansch
79: Gasballast-Ventil
81: Verschlussdeckel des Gasballast-Ventils
82: Drehknopf
83: zentrale Schraube
85: Positionierelement, Positionierstift
87: Druckelement
89: Wellbalg
91: Flanschlager
93: Druckscheibe
94: Passscheibe
95: Lüfter
97: Positionierstift
99: Wellfeder
101: radialer Einstich als Markierung
103: Motordeckel
105: Haube
107: Fuß
111: Erfassungseinheit
113: Bestimmungseinheit
115: Steuereinheit
117: Messvorrichtung
119: Piezo-Drucksensor
121: Pirani-Drucksensor
123: Auswerteeinheit

Claims

Vakuumpumpe, insbesondere eine trockenlaufende Vakuumpumpe, zum Fördern eines gasförmigen Mediums mit einem Pumpsystem, das zumindest einen Gaseinlass (67) und zumindest einen Auslass (57) aufweist,
einer Erfassungseinheit (111), die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, zumindest einen charakteristischen Parameter des Mediums zu erfassen,

einer Bestimmungseinheit (113), die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, einen Feuchtigkeitskennwert, der ein Maß für eine Feuchte des Mediums, insbesondere für einen Wasserdampfgehalt in dem Medium, ist, basierend auf dem zumindest einen charakteristischen Parameter und/oder einem zeitlichen Verlauf des zumindest einen charakteristischen Parameters zu bestimmen, und

einer Steuereinheit (115), die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die Vakuumpumpe in einem Kondensationsvermeidungsmodus zu betreiben, in dem zumindest ein Betriebsparameter der Vakuumpumpe, insbesondere eine Betriebstemperatur der Vakuumpumpe und/oder ein Zustand eines Gasballast-Ventils (79) der Vakuumpumpe, beeinflusst wird, um eine Dampfkapazität der Vakuumpumpe zu erhöhen.
Vakuumpumpe, bevorzugt nach Anspruch 1, insbesondere eine trockenlaufende Vakuumpumpe, zum Fördern eines gasförmigen Mediums mit einem Pumpsystem, das zumindest einen Gaseinlass (67) und zumindest einen Auslass (57) aufweist, und
einer Steuereinheit (115), die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die Vakuumpumpe in einem Kondensationsvermeidungsmodus zu betreiben, in dem zumindest ein Betriebsparameter der Vakuumpumpe, insbesondere eine Betriebstemperatur der Vakuumpumpe und/oder ein Zustand eines Gasballast-Ventils (79) der Vakuumpumpe, beeinflusst wird, um eine Dampfkapazität der Vakuumpumpe zu erhöhen,

wobei die Steuereinheit (115) ein Betätigungsmittel umfasst, mit dem die Vakuumpumpe manuell in den Kondensationsvermeidungsmodus versetzbar ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
wobei sich ein Wert des Betriebsparameters der Vakuumpumpe im Kondensationsvermeidungsmodus von einem Wert des Betriebsparameters in einem Normalbetrieb der Vakuumpumpe unterscheidet.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 3,
wobei die Steuereinheit (115) dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die Vakuumpumpe in den Kondensationsvermeidungsmodus zu versetzten, wenn der Feuchtigkeitskennwert einen vorbestimmten Schwellenwert unter- oder überschreitet.
Vakuumpumpe nach zumindest einem der Ansprüche 1, 3 und 4, wobei die Steuereinheit (115) dazu eingerichtet und ausgebildet ist, den zumindest einen Betriebsparameter der Vakuumpumpe auf Basis des Feuchtigkeitskennwerts anzupassen.
Vakuumpumpe nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, wobei die Steuereinheit (115) dazu eingerichtet und ausgebildet ist, den zumindest einen Betriebsparameter der Vakuumpumpe im Kondensationsvermeidungsmodus zeitlich konstant zu halten oder nach einem festen Schema zu variieren.
Vakuumpumpe nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, zusätzlich umfassend eine Messeinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, zumindest einen Betriebsparameter der Vakuumpumpe zu erfassen, wobei die Steuereinheit (115) dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die Vakuumpumpe in dem Kondensationsvermeidungsmodus auf Basis des Feuchtigkeitskennwerts und des Betriebsparameters der Vakuumpumpe zu betreiben.
Vakuumpumpe nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7,
wobei die Erfassungseinheit (111) zumindest eine Druckmessvorrichtung zum Messen eines Drucks des Mediums umfasst.
Vakuumpumpe nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 3 bis 8,
wobei die Erfassungseinheit (111) zumindest einen bevorzugt am Gaseinlass (67) angeordneten Drucksensor zum Messen eines Ansaugdrucks der Vakuumpumpe umfasst,

wobei die Bestimmungseinheit (113) dazu eingerichtet und ausgebildet ist, den Feuchtigkeitskennwert basierend auf einem zeitlichen Verlauf und/oder einem Betrag des Ansaugdrucks zu bestimmen.
Vakuumpumpe nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 3 bis 9,
wobei die Erfassungseinheit (111) und/oder die Messeinheit zumindest einen Feuchtigkeitssensor zum Messen einer Feuchtigkeit des Mediums bzw. einer Oberfläche der Vakuumpumpe umfasst,

wobei die Bestimmungseinheit (113) dazu eingerichtet und ausgebildet ist, den Feuchtigkeitskennwert basierend auf der gemessenen Feuchtigkeit zu bestimmen.
Vakuumpumpe nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Vakuumpumpe ferner eine bevorzugt am Auslass (57) angeordnete Temperaturregelvorrichtung zum Beeinflussen der Betriebstemperatur der Vakuumpumpe umfasst, insbesondere einen Lüfter und/oder ein Heizelement,

wobei die Steuereinheit (115) dazu eingerichtet und ausgebildet ist, die Betriebstemperatur der Vakuumpumpe durch Steuern der Temperaturregelvorrichtung zu beeinflussen, insbesondere zu erhöhen.
Vakuumpumpe nach Anspruch 11,
wobei das Steuern der Temperaturregelvorrichtung ein Verringern einer Drehzahl der Temperaturregelvorrichtung, insbesondere auf 10% bis 60%, insbesondere 20% bis 50%, insbesondere 30% bis 40% der maximalen Drehzahl der Temperaturregelvorrichtung, oder ein bevorzugt zeitlich begrenztes Abschalten der Temperaturregelvorrichtung umfasst.
Vakuumpumpe nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Vakuumpumpe zumindest ein steuerbares Gasballast-Ventil (79) umfasst, das durch die Steuereinheit (115) ansteuerbar ist.
Messvorrichtung (117) zur Bestimmung einer Feuchte, insbesondere eines Wasserdampfgehalts, eines gasförmigen Mediums, insbesondere für eine Vakuumpumpe zum Fördern eines gasförmigen Mediums bevorzugt gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend:
zumindest einen Piezo-Drucksensor (119), insbesondere zumindest einen piezoelektrischen Drucksensor und/oder zumindest einen piezoresistiven Drucksensor,

zumindest einen Pirani-Drucksensor (121), und

eine Auswerteeinheit (123), die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, einen Feuchtigkeitskennwert, der ein Maß für eine Feuchte des Mediums, insbesondere für einen Wasserdampfgehalt in dem Medium, ist, basierend auf einer Differenz zwischen einem durch den Piezo-Drucksensor (119) gemessenen ersten Druckwert und einem durch den Pirani-Drucksensor (121) gemessenen zweiten Druckwert zu bestimmen.
Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe zum Fördern eines gasförmigen Mediums, insbesondere einer Vakuumpumpe zum Fördern eines gasförmigen Mediums gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, das Verfahren umfassend:
Erfassen zumindest eines charakteristischen Parameters des Mediums,

Bestimmen eines Feuchtigkeitskennwerts, der ein Maß für eine Feuchte des Mediums, insbesondere für einen Wasserdampfgehalt in dem Medium, ist, basierend auf dem zumindest einen charakteristischen Parameter und/oder einem zeitlichen Verlauf des zumindest einen charakteristischen Parameters, und

Betreiben der Vakuumpumpe in einem Kondensationsvermeidungsmodus, in dem zumindest ein Betriebsparameter der Vakuumpumpe, insbesondere eine Betriebstemperatur der Vakuumpumpe und/oder ein Zustand eines Gasballast-Ventils (79) der Vakuumpumpe, beeinflusst wird, um eine Dampfkapazität der Vakuumpumpe zu erhöhen.