DE102005057618A1

DE102005057618A1 - Verfahren zum Betrieb einer Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE102005057618A1
Application number: DE102005057618A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Wagner
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-06
Also published as: ATE547589T1; EP1793080A1; EP1793080B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Vakuumpumpe, welche einen Rotor (2, 3) und einen von diesem durch einen Spalt getrennten Stator aufweist, wobei durch Zusammenwirken von Rotor und Stator ein Pumpeffekt erzielt wird und der Spalt durch Oberflächen auf Rotor und Stator begrenzt ist. Um eine exaktere Einstellung der Spalte zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, in dem Verfahren wenigstens einen Teil der Oberflächen mit schneidenden oder schleifenden Mitteln (15, 16) zu versehen, die Vakuumpumpe auf eine Temperatur in einem Bereich oberhalb der Normaltemperatur zu bringen und die Vakuumpumpe innerhalb eines Zeitintervalls in diesem Übertemperaturbereich zu betreiben, so dass die Oberflächen in Berührung gelangen und dort Material abgetragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Vakuumpumpe, welche einen Rotor und einen von diesem durch einen Spalt getrennten Stator aufweist, wobei durch Zusammenwirken von Rotor und Stator ein Pumpeffekt erzielt wird und der Spalt durch Oberflächen auf Rotor und Stator begrenzt ist.

Vakuumpumpen weisen in der Regel rotierende Bauteile (Rotor) und stehende Bauteile (Stator) auf, zwischen denen ein Spalt besteht. Insbesondere bei trockenen Vakuumpumpen, d.h. solchen, in denen kein Schmiermittel zum Abdichten von Spalten und Schmieren von aufeinander gleitenden Flächen eingesetzt wird, ist dieser Spalt von großer Bedeutung für die vakuumtechnischen Daten der Vakuumpumpe. Allgemein gesprochen bestimmt dieser Spalt die der Pumpfunktion entgegen wirkende Rückströmung. Zu den betroffenen Vakuumpumpen zählen beispielsweise Wälzkolbenpumpen, Schraubenpumpen und Klauenpumpen.

Der vorgenannte Spalt wird im Stand der Technik durch eine aufwändige Fertigung so klein wie möglich gehalten. Zunächst werden die Bauteile der Vakuumpumpe so präzise wie möglich gefertigt. Dies stellt bereits einen erheblichen Aufwand dar, der letzlich in der teueren Bearbeitung in hochpräzisen Maschinen liegt. Anschließend werden die Bauteile exakt zueinander ausgerichtet, meist in manueller Feinarbeit. Dies ist zeitauwändig und damit ebenfalls teuer. Zusammengenommen werden durch diese Maßnahmen auf teuere Art und Weise gute Spaltgenauigkeiten erreicht. Allerdings sind diesen noch immer durch die Bearbeitung und Montage Grenzen gesetzt. Außerdem sind die Bauteile nicht aufeinander abgestimmt, so dass die Spaltmaße letztlich nur mit einer begrenzten Größe herstellbar sind.

Aufgabe ist es daher, ein Verfahren vorzustellen, welches es auf kostengünstigere Art erlaubt, hochgenaue Spalte einzustellen. Das Verfahren soll weiterhin ermöglichen, kleinere Spalte als im Stand der Technik zu realisieren, so daß letztlich die Leistungsdaten der Vakuumpumpe zu verbessern.

Gelöst wird dieser Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruches.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass die letzte mechanische Bearbeitung der Bauteile, die die Einstellung der Spalte bewirkt, in der Vakuumpumpe selbst stattfindet. Dadurch ergibt sich eine exakte Paarung der Bauteile wie sie über die Herstellungstechniken im Stand der Technik nicht erreicht werden kann. Da die Größe der Spalte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf der wärmebedingten Längenausdehnung der Bauteile beruht, ist eine hochpräzise Einstellung der Spalte möglich, die ebenfalls deutlich über dem Stand der Technik liegt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Vakuumpumpe, die für das Verfahren geeignet ist, einen sicheren Schutz vor Anlaufen der Rotoren bei Übertemperatur besitzt.

Die Merkmale der Ansprüche 2 bis 6 stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar. So wird die Genauigkeit der Spalte durch die Maßnahme von Anspruch 2 erhöht, während Anspruch 3 eine besonders effektive Variante der schneidenden und schleifenden Mittel darstellt. Eine Mikrorändelung entsteht, in dem das bereits vorhandene Matrial von Rotor oder Stator bearbeitet wird, es muss also kein zusätzliches Material – beispielsweise eine Beschichtung – aufgebracht werden. Die Maßnahme nach Anspruch 4 erlaubt es, die Wirkung der schneidenden und schleifenden Mittel zu optimieren. Da das Verfahren auf der wärmebedingten Ausdehnung der Bauteile beruht, spielt der Ausdehnungskoeffizient eine wichtige Rolle. Die Ausführungsform nach Anspruch 5 erlaubt daher, die Effizienz des Verfahrens zu steigern. Schließlich gibt die Ausführungsform nach Anspruch 6 eine besonders günstige Art der Temperaturmessung an, mit der eine hochgenaue Einstellung der Temperatur und damit der Spalte realisiert werden kann.

Mit Hilfe der Abbildung soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert und die Vorteile derselben vertieft werden. Die Abbildungen zeigen:
1: Achsparalleler Schnitt durch eine zweiwellige Vakuumpumpe.
2: Stirnschnitt durch eine zweiwellige Vakuumpumpe.
3: Verlauf der Temperatur der Vakuumpumpe.
Die erste Abbildung zeigt eine zweiwellige Vakuumpumpe im Schnitt eine zu den Achsen parallele Ebene. In einem Gehäuse 1 sind zwei Rotoren 2 und 3 angeordnet, welche je eine Welle 4 und 5 besitzen. Die Wellen werden jeweils gelagert durch Lagermittel 6, beispielsweise Kugellager. Ein Antrieb 7 versetzt einen der Rotoren in Drehung, wobei der zweite Rotor über ein Synchrongetriebe 8 ebenfalls in Drehung versetzt wird. Zwischen den Rotoren und dem Gehäuse existieren stirnseitige Spalte 9 und Längsspalte 10. Auf den Oberfläche der Rotoren sind schneidende oder schleifende Mittel 15 vorgesehen, in der Abbildung als gepunktete Bereiche gekennzeichnet. Die in dieser Abbildung gezeigten Mittel sind so angeordnet, dass sie während einer Drehung die kompletten Längsspalte 10 überstreichen.
Die zweite Abbildung zeigt einen Stirnschnitt A-A durch dieselbe Vakuumpumpe, in der zusätzlich der Ansaugflansch 11 und der Ausstossflansch 12 gezeigt sind. Weiterhin ist ein Spalt 13 dargestellt, welcher zwischen den Rotoren vorliegt. Um das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen zu können, sind schneidende oder schleifende Mittel 15 und 16 angebracht. Hier sind die Mittel 16 an der Stirnseite vorgesehen, während sich die Mittel 15 auf dem Rotorenkopf befinden und sich in achsparalleler Richtung entlang der Rotors ausdehnen. Die Mittel an der Stirnseite sind als gepunktete Streifen gezeigt, d.h. es ist keine vollflächige Anordnung. Hier wird ausgenutzt, dass die Mittel während einer Umdrehung des Rotors die gesamte den durch die stirnseitige Oberfläche begrenzenten Spalt bearbeiten. Es ist außerdem möglich, diese Mittel statt auf dem Rotor auf dem Stator anzuordnen.
Im allgemeinen wird man für diese Mittel von einer Art von Beschichtung ausgehen, die eine schleifende oder schneidende Wirkung besitzt. Es ist auch möglich Schneiden vorzusehen, wie sie aus der Werkzeugtechnik bekannt sind.
Zur Kontrolle der Temperatur der Rotoren ist ein Infrarotmessgerät 20 gezeigt, welches die von den Rotoren abgestrahlte Wärme misst. Prinzipiell kann die Temperaturmessung auch über am Gehäuse angebrachte Messfühler erfolgen.
3 zeigt den Temperaturverlauf, wie er für das Verfahren wichtig ist. Dieser Temperaturverlauf, gezeigt ist hier die Temperatur T über der Zeit t, wird von dem Infrarotmessgerät 20 gemessen. Dabei wird zunächst davon ausgegangen, dass es eine Normaltemperatur T_N gibt, bei der die Vakuumpumpe betrieben wird. Bei der Festlegung dieser Normaltemperatur ist zu beachten, auf welche Weise die Temperaturmessung erfolgt, da die Temperatur innerhalb der Pumpe nicht an jeder Stelle gleich sein muss. Die Normaltemperatur stellt die Grenze zwischen Normaltemperaturbereich I und Übertemperaturbereich II dar. Der Übertemperaturbereich ist insbesondere jener, welcher im normalen Betrieb der Vakuumpumpe nicht erreicht wird. Im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird wenigstens ein Teil der Oberflächen von Rotor und Stator der Vakuumpumpe mit schneidenden und schleifenden Mitteln 15, 16 versehen. Als nächstes wird die Pumpe betrieben, d.h. die Rotoren in Drehung versetzt. Hierbei erwärmt sich die Vakuumpumpe. Nun wird erfindungsgemäß als nächstes die Vakuumpumpe auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb der Normaltemperatur liegt, also im Übertemperaturbereich liegt. Die kann beispielsweise durch zuführen von sehr hohen Gaslasten geschehen. Es ist auch möglich, eine hohe Konzentration von Gasen mit sehr schlechter Wärmeleitung durch die Vakuumpumpe zu schicken.
Dadurch kann weniger Wärme von den Rotoren über das gepumpte Gas abgeleitet werden und diese erhitzen sich. Als Folge von der Erwärmung in den Übertemperaturbereich dehnen sich die Rotoren auf ein Maß aus, welches jenseits der Abmessungen im Normaltemperaturbereich liegt. Als nächstes wird die Vakuumpumpe in diesem Übertemperaturbereich für ein gewisses Zeitintervall Δt betrieben. In diesem Zeitintervall schrumpfen aufgrund der Ausdehnung der Rotoren die Spalte, bis schließlich die Oberflächen von Rotor und Stator in Kontakt kommen. Dieser Kontakt besteht zwischen den Rotoren untereinander und zwischen Rotor und Stator. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen schneidenden oder schleifenden Mittel wird Material an den den Mitteln gegenüberliegenden Oberflächen für eine Zeit t_s abgetragen. Je höher die temperaturbedingte Ausdehnung ist, desto höher ist der Materialabtrag. Der Materialabtrag bestimmt das Maß der Spalte, die im Normaltemperaturbereich vorliegen. Bei hohem Materialabtrag werden weite Spalte erzeugt, bei geringem Materialabtrag sind die Spalte enger, es wird in erster Linie eine erstklassige Paarung der Bauteile bewirkt. Über die Kontrolle der Temperatur kann der Materialbatrag und damit das Maß der Spalte exakt eingestellt werden. Der Verlauf der Temperatur im Zeitintervall Δt ist nur qualitativ gezeigt. Je nach Materialpaarung kann ein schnellerer oder langsamerer Anstieg der Temperatur sinnvoll sein. Ein zu schneller Anstieg kann eine zu hohe Belastung für die schneidenden oder schleifenden Mittel bedeuten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die schleifenden oder schneidenden Mittel als Mikrorändelung vorgesehen. Dies heißt, dass die Oberfläche beispielsweise des Rotors fein strukturiert wird, in dem eine feilenähnlich Struktur eingeprägt wird. Dies ist vorteilhaft, da ausschließlich das bereits vorhandene Material genutzt wird und die Mikrorändelung eine sehr hohe Beständigkeit für den Dauerbetrieb aufweist. Dadurch ist auch die Sicherheitsfunktion auf Dauer gewährleistet.
In weiteren Ausführungsformen werden die Materialien für Rotor und Stator so gewählt, dass sie unterschiedliche Härte und/oder unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die erste Maßnahme verbessert den Materialabtrag. Aus der Geometrie von Rotor und Stator ergeben sich Relativgeschwindigkeiten der Oberflächen zueinander, die beim maximalen Abtrag eine Rolle spielen. Durch eine zu den Relativgeschwindigkeiten passende Materialpaarung kann Spielraum beim Gestalten der Geometrie gewonnen werden. Die zweite Maßnahme bewirkt eine unterschiedlich starke Ausdehnung von Rotor und Stator. Daher kann über eine Wahl der Ausdehungskoeffizienten das Schrumpfen der Spalte in Abhängigkeit von der Temperatur beschleunigt oder verlangsamt werden. Hierdurch wird der Spielraum beim Einstellen der Spalte erhöht.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Vakuumpumpe, welche einen Rotor (2, 3) und einen von diesem durch einen Spalt (9, 10) getrennten Stator aufweist, wobei durch Zusammenwirken von Rotor und Stator ein Pumpeffekt erzielt wird und der Spalt durch Oberflächen von Rotor und Stator begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens ein Teil der Oberflächen mit schneidenden oder schleifenden Mitteln (15, 16) versehen werden, – die Vakuumpumpe auf eine Temperatur in einem Bereich oberhalb der Normaltemperatur gebracht wird, und – die Vakuumpumpe innerhalb eines Zeitintervalls in diesem Übertemperaturbereich betrieben wird, so dass die Oberflächen in Berührung gelangen und dort Material abgetragen wird, um den Spalt (9, 10) auf eine gewünschte Größe zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Oberflächen derart mit schneidenden oder schleifenden Mitteln (15, 16) versehen ist, dass während einer Umdrehung des Rotors die gesamten Oberflächen bearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Oberflächen mit einer Mikrorändelung versehen ist, welche eine Material abtragende Wirkung hat.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor (2, 3) und Stator aus Materialien mit unterschiedlicher Härte hergestellt sind.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor (2, 3) und Stator aus Materialien mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Rotors (2, 3) durch Messung seiner Infrarotstrahlung bestimmt wird.