DE102013210854A1

DE102013210854A1 - Vakuumpumpe sowie Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE102013210854A1
Application number: DE102013210854.0A
Authority: DE
Inventors: Christophe Despesse
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-12-11
Also published as: WO2014198524A1; CN105378284A; CN105378284B; TW201510362A; PL3008343T3; ES2749125T3; TWI622703B; EP3008343A1; EP3008343B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Drehschieberpumpe, mit einem Pumpengehäuse (10), die in einem Schöpfraum (12) angeordnet ist. In dem Schöpfraum (12) ist eine Förderelement (14, 16) angeordnet. An einem Einlass (22) des Schöpfraums (12) ist eine Rückschlagventil (28) vorgesehen. Zum Schließen des Rückschlagventils (28) bei im Bereich des Einlasses (22) herrschenden, niedrigen Drücken ist neben einer Spiralfeder (34), eine Fluideinrichtung (36) angeordnet. Beim Ausschalten der Vakuumpumpe erfolgt ein Verschieben eines Schaltkolbens (40) in eine Stellung, in der durch den Zuführkanal (42) in den Verbindungskanal (38) Fluid strömt, das sodann durch Einströmen in den Einlasskanal (42) das Rückschlagventil (28) schließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe.
Vakuumpumpen wie bspw. Drehschieberpumpen weisen in einem Pumpengehäuse einen Schöpfraum auf. In dem Schöpfraum ist zum Fördern eines gasförmigen Mediums ein Förderelement angeordnet. Bei einer Drehschieberpumpe weist das Förderelement ein exzentrisch in dem zylindrischen Schöpfraum angeordnetes Rotorelement auf, in dem mehrere Schieber angeordnet sind. Die Schieber sind in Schlitzen des Rotorelements verschiebbar gehalten und liegen an der Innenseite des Schöpfraums an. Durch Rotation des exzentrisch angeordneten Rotorelements erfolgt ein Fördern des Mediums mit Hilfe der sich in ihrer Größe durch die Rotation verändernden, zwischen benachbarten Schiebern angeordneten Kammern von einem Einlass des Schöpfraums zu einem Auslass. Um beim Ausschalten der Vakuumpumpe ein Zurückströmen von Medium in den von der Vakuumpumpe zu evakuierenden Raum zu vermeiden, ist im Bereich des Einlasses ein Rückschlagventil angeordnet. In einer mechanischen Ausführungsform des Rückschlagventils ist dies über eine Feder eingestellt. Um ein sicheres Schließen des Saugstutzenventils zu gewährleisten, muss dieses nah an dessen Dichtungsfläche eingestellt sein. Bei geringen Drücken von insbesondere weniger als 1 mbar am Pumpeneinlass besteht der Nachteil, dass die Förderleistung der Pumpe bei geringen Drücken abnimmt.
Anstelle des Vorsehens eines federeingestellten Rückschlagventils ist es ferner bekannt ein elektromagnetisch schaltbares Ventil vorzusehen. Hierdurch kann die Pumpleistung auch bei niedrigen Drücken am Pumpeneinlass aufrechterhalten werden. Das Vorsehen eines elektromagnetischen Ventils weist jedoch den Nachteil auf, dass eine entsprechende Steuereinrichtung sowie eine Stromversorgung vorgesehen sein müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe zu schaffen, wobei auch bei niedrigen Drücken von insbesondere weniger als 1 mbar am Einlass auch ohne Vorsehen eines elektromagnetischen Ventils, eine möglichst hohe Pumpleistung erzielt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe gemäß Anspruch 9.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Drehschieberpumpe handeln kann, weist in einem Gehäuse einen Schöpfraum auf. In den Schöpfraum ist mindestens ein Förderelement angeordnet. Bei einer Drehschieberpumpe handelt es sich um ein exzentrisch in einem zylindrischen Schöpfraum angeordnetes, zylindrisches Förderelement mit in Schlitzen verschiebbaren Schiebern. Die Schieber liegen an der Innenwand des Schöpfraumes an. Ferner ist der Schöpfraum mit einem Einlass und einem Auslass verbunden. Durch die Rotationsbewegung des Förderelements erfolgt ein Fördern von insbesondere gasförmigem Medium durch den Einlass in Richtung des Auslasses, um einen mit dem Einlass verbundenen Raum zu evakuieren. Im Bereich des Einlasses ist ein Rückschlagventil angeordnet, das den Einlass beim Ausschalten der Vakuumpumpe verschließt. Hierbei kann das Rückschlagventil in einen den Einlass ausbildenden Einlasskanal integriert sein. Durch das Rückschlagventil ist ein Zurückströmen des geförderten Mediums in den evakuierten Raum vermieden. Um auch bei niedrigen Drücken im Einlassbereich von insbesondere weniger als 1 mbar eine hohe Förderleistung der Pumpe zu realisieren, ist erfindungsgemäß eine Fluideinrichtung vorgesehen. Die Fluideinrichtung wirkt beim Ausschalten der Vakuumpumpe zum Verschließen des Rückschlagventils auf dieses ein. Dies hat den Vorteil, dass das Rückschlagventil auch bei geringen Drücken im Einlassbereich weit und insbesondere vollständig geöffnet ist. Hierdurch kann weiterhin auch bei niedrigen Drücken eine große Pumpleistung realisiert werden. Durch Vorsehen der das Rückschlagventil betätigenden Fluideinrichtung ist es möglich, den Spalt zwischen Rückschlagventil und Saugstutzen in Vergleich zu einem mechanischen federeingestellten Rückschlagventil zu vergrößern. Gegebenenfalls kann eine derartige Feder auch vollständig entfallen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Fluideinrichtung weist diese ein fluidisch betätigtes Schaltelement wie einen Schaltkolben auf. Je nach Stellung des Schaltkolbens wirkt ein Fluid zum Schließen des Rückschlagventils auf das Rückschlagventil ein. Das Vorsehen einer Fluideinrichtung bzw. eines fluidisch betätigbaren Schaltelement, bei dem es sich insbesondere um einen Schaltkolben handelt, weist insbesondere den Vorteil auf, dass die Betätigungen der Fluideinrichtung durch Fluid erfolgt und insofern keine elektrische Steuerung und keine Stromversorgung erforderlich ist.
Vorzugsweise ist das Schaltelement über einen Verbindungskanal mit dem Rückschlagventil verbunden, wobei der Verbindungskanal entweder unmittelbar mit dem Rückschlagventil oder über den Einlasskanal, durch den das zu fördernde Medium in den Schöpfraum gesaugt wird, verbunden ist. Ferner ist das Schaltelement der Fluideinrichtung mit einem Zuführkanal verbunden, in dem ein unter Druck stehendes Fluid vorgesehen ist. Mit Hilfe des unter Druck stehenden Fluids wird im Betrieb der Vakuumpumpe ein Druck auf den Schaltkolben ausgeübt, so dass dieser in einer Geschlossenstellung gehalten wird. In der Geschlossenstellung ist der Verbindungskanal zwischen dem Schaltelement und dem Rückschlagventil verschlossen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Verbindungskanal nicht unmittelbar mit dem Rückschlagventil, sondern mittelbar über den Einlasskanal mit dem Rückschlagventil verbunden ist, da ansonsten Fluid aus dem Verbindungskanal in den Schöpfraum der Vakuumpumpe gesaugt würde.
Beim Ausschalten der Vakuumpumpe erfolgt ein Verbinden des Zuführkanals mit dem Verbindungskanal durch Betätigen des Schaltelements, d. h. insbesondere durch Verschieben des Schaltkolbens. Sodann strömt Fluid aus dem Zuführkanal durch den Verbindungskanal und ggf. durch den Einlasskanal in Richtung des Rückschlagventils und verschließt dieses, so dass nach dem Ausschalten der Vakuumpumpe kein Medium in den evakuieren Raum zurückströmen kann
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass das Schaltelement mit einem Schließkanal verbunden ist. Durch Verändern des Drucks eines Fluids in dem Schließkanal kann ein Betätigen des Schaltelements erfolgen. Besonders bevorzugt ist es hierbei, dass zum Schließen des Schaltelements während des Betriebs der Vakuumpumpe an dem Schaltelement über den Schließkanal Druck anliegt. Bei einer entsprechenden Druckreduzierung bzw. einem entsprechenden Druckabfall erfolgt sodann ein Öffnen des Schaltelements, d. h. insbesondere ein Verschieben des Schaltkolbens. Besonders bevorzugt ist es, dass zum Aufbau von Druck in dem Schließkanal dieser mit dem Auslass der Vakuumpumpe verbunden ist. Da am Auslass der Vakuumpumpe ein deutlich höherer Druck als am Einlass der Vakuumpumpe herrscht, ist es möglich diesen Druck zum Verschließen des Schaltelements über den Schließkanal zu dem Schaltelement zu leiten, so dass der Druck insbesondere auf den Schaltkolben einwirkt.
Bei einer besonderes bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltelement derart ausgestaltet, dass der in dem Schaltkanal herrschende Druck und der in dem Zufuhrkanal herrschende Druck in entgegengesetzte Richtung auf das Schaltelement insbesondere auf einander gegenüberliegende Kolbenflächen des Schaltkolbens wirkt. Dies hat den Vorteil, dass, solange während des Betriebs der Druck in dem Schließkanal höher ist als in dem Zuführkanal, der Schaltkolben verschlossen bleibt, sofern die einander gegenüberliegenden Kolbenflächen gleich groß sind. Bei unterschiedlich großen Kolbenflächen sind für den Schaltzustand des Schaltelements, d. h. für die Lage des Schaltkolbens, die einander entgegengerichteten Kräfte ausschlaggebend. Diese hängen von dem Druck und der Größe der wirksamen Kolbenfläche ab. Durch eine entsprechende Anpassung der Kolbengeometrie kann diese somit auf die herrschenden Drücke angepasst werden, so dass einerseits im Betrieb ein sicheres Verschließen des Schaltelemets gewährleistet ist und andererseits beim Ausschalten der Vakuumpumpe ein schnelles Öffnen des Schaltelements sichergestellt ist. Vorzugsweise ist der Zuführkanal mit einer Druckerzeugungseinrichtung der Vakuumpumpe verbunden. Hierbei handelt es sich insbesondere um die Kompressionszone im Vakuumgenerator kurz vor dessen Auslass.
Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Prinzip des Einwirkens auf ein Rückschlagventil mit Hilfe einer Fluideinrichtung ist nicht auf Drehschieberpumpen beschränkt, sondern kann auch bei Vakuumpumpen anderer Bauart eingesetzt werden. Unabhängig von der Bauart der Vakuumpumpe ist es besonders bevorzugt, dass als Fluid, das dem Schaltkanal zugeführt wird und zum Schalten des Schaltelements insbesondere des Schaltkolbens dient, das geförderte Medium verwendet wird. Bei einer ölgeschmierten Vakuumpumpe wie einer Drehschieberpumpe handelt es sich um ein Gemisch aus Gas und Öl, da das die Drehschieber gegenüber der Innenwand des Schöpfraums abdichtende Öl in geringen Mengen mitgefördert wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der vorstehend beschriebenen Vakuumpumpe. Diese ist wie vorstehend beschrieben vorteilhaft weitergebildet. Das Schalten des Rückschlagventils erfolgt gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Ausschalten Vakuumpumpe durch fluidisches Betätigen des Schaltelements, d. h. insbesondere des Schaltkolbens der Fluideinrichtung, wobei hierdurch das Rückschlagventil verschlossen wird.
Insbesondere wird zum Schließen des Rückschlagventils durch den Verbindungskanal Fluid in Richtung des Rückschlagventils gefördert bzw. strömt in Richtung des Rückschlagventils. Ferner strömt das Fluid vorzugsweise durch den Zuführkanal über das Schaltelement in den Verbindungskanal. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass zum Schließen des Schaltelements während des Betriebs zum Druckaufbau Fluid dem Schließkanal zugeführt wird, wobei es sich bei diesem Fluid insbesondere um von der Vakuumpumpe gefördertes Fluid handelt. Vorzugsweise ist das Verfahren wie vorstehend anhand der Vorrichtung beschrieben vorteilhaft weitergebildet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische Schnittansicht einer Drehschieberpumpe,
2 eine schematische Schnittansicht der fluidischen Schalteinrichtung im Betrieb und
3 eine schematische Schnittansicht der fluidischen Schalteinrichtung im Stillstand.
In der 1 ist als Beispiel einer Vakuumpumpe eine Drehschieberpumpe dargestellt. Diese weist ein Gehäuse 10 auf, in dem ein Schöpfraum 12 ausgebildet ist. Innerhalb des zylindrischen Schöpfraumes ist ein Rotationselement 14 (Pumpen-Rotor) ausgebildet, dass zusammen mit Schiebern 16 ein Förderelement bildet. Die Schieber 16 sind in Schlitze 18, die in dem Rotorelement 14 angeordnet sind, verschiebbar. Bspw. über eine innenliegende Ölzufuhr erfolgt eine Ölzufuhr in die Schlitze 18, so dass das Öl die Schieber 16 gegenüber der Innenwand 20 des Schöpfraums 12 abdichtet. Da das Rotationselement 14 exzentrisch angeordnet ist, erfolgt durch Drehen des Rotationselements 14 ein Fördern von insbesondere gasförmigem Medium, das durch einen Einlass 22 angesaugt und durch einen Auslass 24 ausgestoßen wird.
Der Einlass 22 ist mit einem Einlassstutzen 26 verbunden. In dem Einlassstutzen 26 erfolgt das Ansaugen des zu fördernden Mediums, so dass ein mit dem Einlassstutzen 26 verbundener zu evakuierender Raum evakuiert wird. Innerhalb des Einlasses 22, 26 ist ein Rückschlagventil 28 sowie ggf. ein Filterelement oder Sieb 30 angeordnet.
Aufgrund des in einer ersten Kammer 32 des Schöpfraums 12 herrschenden Drucks, der niedriger als der Druck in dem zu evakuierenden Raum ist, erfolgt ein Bewegen des Rückschlagventils 28 in 1 nach unten entgegen der Kraft einer im dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Einlasskanal 22 angeordneten Spiralfeder 34. Da die Spiralfeder 34 nur eine relativ geringe Kraft erzeugt, die das Rückschlagventil 28 nach oben in eine Verschlussstellung bewegen würde, ist das Rückschlagventil 28 auch bei geringen Drücken im Einlassbereich vorzugsweise vollständig geöffnet.
Um ein schnelles und sicheres Verschließen, d. h. Bewegen des Rückschlagventils 28 in 1 nach oben beim Ausschalten der Vakuumpumpe sicherzustellen, ist eine Fluideinrichtung 36 vorgesehen. Diese weist einen Verbindungskanal 38 auf, der im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen einem Schaltelement 40 und dem Verbindungskanal 38 angeordnet ist.
Ferner weist die Fluideinrichtung 36 einen mit dem Ölkasten verbundenen Zuführkanal 42 auf, der ebenfalls mit dem Schaltelement 40 verbunden ist. Des Weiteren ist ein Schließkanal 44 mit dem Schaltelement 40 verbunden. Der Schließkanal 44 ist ferner mit dem Auslass 24 des Vakuumgenerators oder im Bereich des Auslasses 24 mit dem Schöpfraum 12 verbunden.
Während des Betriebs der Vakuumpumpe wird das in den Kammern 32 durch den Einlasskanal 22 angesaugte Medium komprimiert, so dass am Auslass 24 ein höherer Druck als am Einlass 22 herrscht. Aufgrund der Verbindung mit dem Schließkanal 44 herrscht dieser Druck auch an dem insbesondere als Schaltkolben ausgebildeten Schaltelement 40. Durch diesen Druck wird das Schaltelement 40 geschlossen, so dass kein Fluid in den Verbindungskanal 38 gelangt. Gleichzeitig liegt an dem Schaltelement 40 über dem Zuführkanal 42 ein Druck an, der jedoch in Abhängigkeit der wirksamen Kolbenflächen eine geringere Kraft auf den Schaltkolben 40 ausübt als der in dem Schließkanal 44 herrschende Druck. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Fluideinrichtung 36 während des Betriebs verschlossen bleibt.
Beim Ausschalten der Vakuumpumpe sinkt der Druck am Auslass 24 und somit auch in dem Schließkanal 44. Dies führt dazu, dass der in dem Zuführkanal 42 herrschende Druck eine größere Kraft auf das Schaltelement 40 ausübt und dadurch das Schaltelement 40 in 1 und 2 nach links in die in 3 dargestellte Stellung bewegt wird. Dies bewirkt ein Öffnen des Verbindungskanals 38, so dass Fluid aus dem Zuführkanal 42 in den Verbindungskanal 38 strömt (Pfeil 46). Aus dem Verbindungskanal 38 strömt das Fluid in den Einlasskanal 22 in Richtung des Rückschlagventils 24 und verschließt dieses.
Der Kolben 40 weist vorzugsweise einen Hohlraum auf, in den Fluid bei geschlossenem Ventil (3) durch den Zuführkanal 42 strömt, so dass dieses eine Kraft auf den Kolben in 2 nach links ausübt, wobei die Gegenkraft durch den in dem Schaltkanal 44 herrschenden Druck erzeugt wird.

Claims

Vakuumpumpe, insbesondere Drehschieberpumpe mit einem in einem Pumpengehäuse (10) ausgebildeten Schöpfraum (12), einem in dem Schöpfraum angeordneten Förderelement (14, 16), einen mit dem Schöpfraum (12) verbundenen Einlass (22) und mit dem Schöpfraum (12) verbundenen Auslass (24) und einem den Einlass (22) beim Ausschalten der Vakuumpumpe verschließenden Rückschlagventil (28), gekennzeichnet durch eine beim Ausschalten der Vakuumpumpe zum Verschließen des Rückschlagventils (28) auf das Rückschlagventil (28) einwirkende Fluideinrichtung (36).
Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluideinrichtung (36) ein fluidisch betätigtes Schaltelement (40) insbesondere einen Schaltkolben aufweist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (40) über einen Verbindungskanal (38) mit dem Rückschlagventil (28) und mit einem unter Druck stehendes Fluid aufweisenden Zuführkanal (42) verbunden ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführkanal (42) mit dem Verbindungkanal (38) beim Ausschalten der Vakuumpumpe durch Betätigen des Schaltelements (40) verbunden ist.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche zwei bis vier, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (40) mit einem Schließkanal (44) verbunden ist, an dem während des Betriebs der Vakuumpumpe ein das Schaltelement (40) schließender Druck anliegt.
Vakuumpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkanal (44) mit dem Auslass (24) der Vakuumpumpe verbunden ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Schließkanal (44) herrschende Druck und der in dem Zuführkanal (42) herrschende Druck in entgegengesetzte Richtung auf das Schaltelement (40) insbesondere einander gegenüber liegende Kolbenflächen des Schaltkolbens wirken.
Vakuumpumpe nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführkanal (42) mit einer Druckerzeugungseinrichtung verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem das Rückschlagventil (28) beim Ausschalten der Vakuumpumpe durch fluidisches Betätigen des Schaltelements (40) der Fluideinrichtung (36) geschlossen wird.
Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe nach Anspruch 9, bei welchem zum Schließen des Rückschlagventils (28) durch den Verbindungskanal (38) Fluid in Richtung des Rückschlagventils (28) strömt.
Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem zum Schließen des Schaltelements (40) während des Betriebs zum Druckaufbau Fluid dem Schließkanal (44) zugeführt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 9 bis 11 bei welchem der Zuführkanal (42) mit dem Verbindungskanal (38) beim Ausschalten der Vakuumpumpe durch Betätigen des Schaltelements (40) verbunden wird.