EP3657022B1

EP3657022B1 - Vakuumpumpe mit einem peltierelement

Info

Publication number: EP3657022B1
Application number: EP18207784.2A
Authority: EP
Inventors: Peter Huber; Johannes Schnarr
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2022-09-07
Anticipated expiration: 2038-11-22
Also published as: EP3657022A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit einem Peltierelement.
Vakuumpumpen bedürfen unter verschiedenen Aspekten der Temperierung. Temperierung kann einerseits Kühlung bedeuten, andererseits aber auch Erwärmung.
Im Betrieb können Vakuumpumpen warm werden, sodass Kühlung erforderlich ist. Dies gilt umso mehr, als Vakuumpumpen bestimmungsgemäß in sehr dünnen Medien Pumparbeit verrichten, sodass um ihre pumpaktiven Elemente herum kaum Fluid vorhanden ist. Einerseits entsteht durch die hohen Relativgeschwindigkeiten der pumpaktiven Elemente und des Fluidstroms Reibungswärme, andererseits ist die Konzentration des Fluids meist nicht ausreichend, einen kühlenden Massestrom zu bilden. Dieser Weg des Wärmeabtransports fehlt bei Vakuumpumpen also fast vollständig. Konventionell kann der Wärmeabtransport dann nur über Wärmeleitung innerhalb der Pumpkomponenten geschehen, was unzureichend sein kann. Wärme kann auf verschiedene Weisen in die Pumpe gelangen oder dort entstehen. Die Reibung zwischen Fluid und Pumpenkomponenten wurde bereits genannt, ein weiterer Weg ist es, dass Wärme vom zu evakuierenden Behälter her über Körperleitung oder direkte Einstrahlung in die Pumpe gelangt. Ein weiterer Weg ist, dass Lager warmlaufen, da sie Komponenten halten müssen, die sich mit hohen Drehzahlen drehen. Ein weiterer Mechanismus des Wärmeeintrags ist Wärmeerzeugung durch Wirbelströme, die durch Magnetfelder induziert werden. Wirbelströme können entstehen, wenn metallische Leiter zeitveränderlich von Magnetfeldern durchsetzt werden. Magnetfelder können von außen in die Pumpe eingestreut werden. Außerdem sind regelmäßig Magnetlager vorgesehen, die ihrerseits Magnetfelder erzeugen. Der Pumpenrotor in der Pumpe dreht sich in der Regel mit hoher Drehzahl, sodass metallische Komponenten desselben, etwa Rotorschaufeln oder Holweckhülsen, zeitveränderlich von Magnetfeldern beaufschlagt werden. Das gleiche gilt für Statorschaufeln relativ zu sich drehenden Teilen eines Magnetlagers. Wirbelströme führen zu erhöhten Temperaturen der davon beaufschlagten Komponenten.
Aufgrund verschiedener Erwägungen sollen Pumpkomponenten im Dauerbetrieb jedoch innerhalb bestimmter Temperaturbereiche liegen, sodass bei Überschreiten dieser Temperaturen eine Kühlung erforderlich ist.
Es gibt aber auch Erwägungen, aus denen heraus Pumpenkomponenten erwärmt werden sollen. Eine ist es, in Betrieb zu nehmende Pumpen möglichst schnell in den gewünschten Temperaturbereich zu bringen, der beispielsweise einige 10 Grad über der Umgebungstemperatur liegen kann. Eine weitere Motivation zum Erwärmen von Pumpenkomponenten kann es sein, die Kondensation gepumpter Substanzen zu verhindern. Kondensation ist temperaturabhängig. Je höher die Temperatur ist, desto niedriger ist im Allgemeinen die Kondensationsneigung gepumpter Stoffe. Somit kann mit Temperaturerhöhung die Kondensation verringert werden, sodass die Erwärmung von Pumpenkomponenten gewünscht sein kann. Eine weitere Motivation des Erwärmens von Pumpen ist das Ausheizen von Pumpen zu Beginn ihrer Lebensdauer, und womöglich im Zuge von Wartungsmaßnahmen, gegebenenfalls auch während des Betriebs. Um Pumpen von absorbierten oder adsorbierten Stoffen zu befreien, kann es wünschenswert sein, diese über einen bestimmten Zeitraum hinweg, beispielsweise zwischen 40 und 50 Stunden, bei erhöhter Temperatur laufen zu lassen, sodass in Pumpkomponenten adsorbierte Materialien freigesetzt und abtransportiert werden.
Das Erwärmen von Vakuumpumpen geschieht bisher häufig mittels Heizmanschetten, Heizpatronen oder Heizschlangen, die elektrische Energie in Wärme umwandeln und geeignet angebracht sind. Das Kühlen erfolgt bedarfsweise häufig mit Kühlschlangen oder Kühlmanschetten, die angebracht werden und dann mittels Fluidkühlung die gewünschten Bereiche kühlen. Jede Form der aktiven Zu- oder Abfuhr von Wärme ist aufwändig und erzeugt hohen Platzbedarf, der konstruktiv und im Einbau sowohl an der Vakuumpe, als auch seitens der Gesamtanlage freigehalten werden muss, damit die vorzusehenden Komponenten angebracht, montiert und demontiert werden können. Konventionelle elektrische Heizungen sind oft schwierig anzubringen. Fluidtemperierungen sind wartungsintensiv und erhöhen die Betriebsrisiken durch die notwendige Komponentenanzahl und Dichtigkeitsanforderung an den Fluidtemperierungskreislauf.
Schlimmstenfalls sind sowohl aktive Heizung als auch aktive Kühlung an verschiedenen Stellen einer Vakuumpumpe gleichzeitig notwendig, um thermisch konkurrierende, jedoch optimale oder zwingende Betriebstemperaturbereiche verschiedener Teilelemente einer Vakuumpumpe gemeinsam zu erreichen.
Die EP 123 138 3 A1 beschreibt eine Vakuumpumpe, die ein Peltier-Element als Kühleinrichtung aufweist.
Die DE 10 2005 030 805 A1 beschreibt einen Vakuumpumpstand, bei dem der Emissionskondensator mit einer Peltier-Kühleinrichtung ausgeführt ist.
Die WO 2018/042151 A1 beschreibt eine Vakuumpumpe, bei der mittels eines Peltier-Elements Wärme vom Pumpgehäuse zum Steuerungsgehäuse transportiert werden kann.
EP 0 694 699 A1 beschreibt eine Vakuumpumpe, bei der ein Peltier-Element Überschusswärme aus dem Lagerabschnitt und aus dem Motorabschnitt im Bereich des Pumpenauslasses abtransportiert.
Die JP H07 286599 A beschreibt eine Turbo-Molekularpumpe mit einem Peltierelement an einem Wärmetauscher.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe anzugegeben, die das Erwärmen von Pumpenbereichen erlauben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine Vakuumpumpe hat die Merkmale des Anspruchs 1. Sie hat ein Gehäuse, darin einen drehbaren Pumpenrotor mit einer Rotorwelle und einen diesem pumpwirksam zugeordneten Pumpenstator, einen Pumpeneinlass am einen Ende der Rotorwelle und eine Temperiervorrichtung für einen zu temperierenden Bereich. Die Temperiervorrichtung weist ein Peltier-Element auf, das den Kompressionsbereich in Umfangsrichtung umgebend ausgebildet ist. Anspruch 1 nennt weitere Merkmale.
Durch den ringförmigen Aufbau des temperierenden Peltier-Elements derart, dass der Peltier-Ring die Drehachse des Pumpenrotors umgibt, wird über den Umfang betrachtet eine gleichmäßige Temperierung der zu temperierenden Bereiche erreicht. Gleichzeitig sind Peltier-Elemente gut vorfertigbar und sind in der Baugröße vergleichsweise klein, sodass sie effizient wirken und gut verbaut werden können.
Am Einsatzort des Peltier-Elements liegt der von ihm erzeugte Temperaturgradient parallel zur Rotorachse. Liegt der Temperaturgradient parallel zur Rotorachse, erfolgt Wärmetransport in der Regel innerhalb der Pumpe bzw. innerhalb des Pumpengehäuses in gewünschter Weise.
Allgemein gesprochen kann ein Peltier-Element als flächiges Element ausgebildet sein mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptflächen. Sie werden mit einer Gleichspannung betrieben. Abhängig davon, in welcher der beiden möglichen Polaritäten die Gleichspannung angelegt wird, wird die eine Hauptfläche gekühlt und die andere erwärmt. Die Hauptflächen können eben oder konturiert/uneben sein und können formschlüssig/komplementär zu einem vorgesehenen Einbauort gebildet sein. Die zwei Hauptoberflächen des Peltier-Elements können als erste und zweite Temperierfläche angesehen werden. Eine von ihnen steht thermisch mit einer Wärmequelle = Kältesenke in Kontakt, die andere dementsprechend mit einer Kältequelle = Wärmesenke. Die frei zugänglichen Temperierflächen des Peltier-Elements können elektrisch isolierend ausgebildet sein, etwa als Kunststoff- oder als Keramikmaterial. Eine der Temperierflächen kann im Einbau somit unmittelbar an der zugänglichen Fläche eines zu temperierenden Bereichs angelegt sein bzw. werden. Peltier-Elemente können in gewissem Maße nachgiebig ausgebildet werden, sodass sie unaufwändig dicht anliegend an die Zielfläche, also die zu temperierende Fläche, eingebaut werden können.
Wenn das Peltier-Element betrieben wird, weist es ein Temperaturprofil auf, das anders ist als es sich bei üblichem, passivem Temperaturausgleich einstellen würde. Eine der Temperierflächen kann als "warme Seite" angesehen werden, die andere als "kalte Seite". Zwischen diesen beiden Seiten entsprechend den zwei Temperierflächen und genauso entsprechend den zwei Hauptoberflächen des Peltier-Elements stellt sich ein Temperaturgradient ein. Er ist abhängig vom elektrischen Betrieb des Peltier-Elements sowie von den thermischen Gegebenheiten am Einbauort. Wenn das Peltier-Element nicht betrieben wird, also offene Klemmen hat, nimmt es wie andere Bauteile auch an thermischen Ausgleichsvorgängen teil, entsprechend den dafür relevanten thermischen Parametern.
Das Peltier-Element ist ringförmig ausgebildet und umgibt die Rotorachse des Pumprotors der Pumpe. Dadurch erfolgt eine gleichmäßige Kühlung der Pumpe über den Umfang betrachtet, sodass keine bzw. nur geringe Unsymmetrien in Umfangsrichtung betrachtet vorliegen. Die ringförmige Ausbildung kann bedeuten, dass die Peltier-Struktur eine geschlossene Struktur mit einer Öffnung in der Mitte ist. Sie muss aber nicht kreisringförmig sein, sondern kann, abhängig vom Einbauort, andere Konturen haben. Allgemein kann die Kontur des ringförmigen Peltier-Elements der Kontur des Einbauorts folgen. Kreisringförmig ist hierbei eine Option. Die Kontur kann aber auch Ecken aufweisen oder oval sein (etwa bei schräger Anbringung auf einem runden Gehäuse) oder ähnliches.
Eine Möglichkeit der Anbringung eines Peltier-Elements ist es, es entsprechend einer Gehäuseaußenkontur auszubilden und es außen auf das Gehäuse aufzuschieben, wobei nochmals außen darauf eine Kühlstruktur liegt. Der thermische Gradient liegt dann radial, also eine Temperierfläche radial innen und die andere Temperierfläche radial außen. Wenn das Kühlen der Pumpe gewünscht ist, wird das Peltier-Element so betrieben, dass die innenliegende Seite die kalte und die außenliegende Seite die warme Seite ist. Wärme wird dann von innen nach außen geführt und über die Wärmetauscherstruktur effizient abgeleitet. In dieser Ausführungsform unterstützt das Peltier-Element die passiven Kühlstrukturen am Pumpengehäuse.
Bei verschiedenen Vakuumpumpen ist ein unten liegender Ölsumpf vorgesehen, aus dem heraus Lager und gegebenenfalls Getriebeelemente geschmiert werden. Dieser Ölsumpf kann sich aufheizen und kann der Kühlung bedürfen. Es kann dann das Peltier-Element um den Ölsumpf herum am Gehäuseäußeren oder an anderen geeigneten Strukturen des Gehäuses jedenfalls um die Achse des Rotors herum ausgebildet werden, sodass der Ölsumpf effizient und über den Umfang relativ gleichmäßig gekühlt werden kann. Auch hier kann der Gradient radial liegen, sodass Wärme radial nach außen geführt werden kann. In einer anderen Ausführungsform kann der Boden der Vakuumpumpe auf einem Peltier-Element aufstehen, sodass auf diese Weise der Ölsumpf nicht von der Seite her, sondern von unten her geeignet gekühlt wird. In diesem Fall kann der thermische Gradient parallel zur Achse, also axial, verlaufen.
Ein Peltier-Element kann auch zur Lagerkühlung verwendet werden. Ein Peltier-Element kann radial außen am radial außenliegenden Lagerteil angebracht werden, und/oder radial innen am radial innenliegenden Lagerteil. Das Peltier-Element kann ringförmig oder hülsenförmig ausgebildet sein und kann innen und/oder außen auf entsprechende Komponenten des Lagers aufgeschoben oder in Komponenten eingeschoben sein.
Da die bestimmungsgemäße Funktion eines Lagers auch von der Größe des vorhandenen Lagerspalts abhängt, kann bei diesem Einsatz mittels des Peltier-Elements die Temperatur derart gesteuert bzw. geregelt werden, dass auf eine bestimmte Solltemperaturdifferenz zwischen den Lagerkomponenten geregelt wird. Entsprechende Sensorik ist dann vorzusehen. Dies kann sich auf die Lebensdauer des Lagers positiv auswirken, da bei konstant gehaltenem Lagerspalt auch die Kräfte im Lager in konstruktiv vorgesehenen Bereichen bleiben. Auch bei Anbringung am Lager kann der Gradient radial verlaufen.
Allgemein gesprochen weist die Pumpe einen Kompressionsbereich auf, innerhalb dessen das zu evakuierende Medium von einlassseitig nach auslassseitig komprimiert wird. Innerhalb dieses Kompressionsbereichs entsteht wegen der Kompression Wärme, und es kann allgemein der Kompressionsbereich einer Vakuumpumpe durch ein umlaufendes Peltier-Element gekühlt werden. Dies kann die Einfassung merklicher Teile der axialen Länge einer Vakuumpumpe mit einem Peltier-Element umfassen. Das Peltier-Element kann beispielsweise außen am Gehäuse aufsitzen und es über signifikante Teile der axialen Länge überdecken. Auch hier läuft es um die Welle bzw. um die Drehachse der Vakuumpumpe um und entspricht in seiner Kontur der Außenkontur des umgebenden Gehäuses.
Zur Abdichtung des Vakuumbereichs der Pumpe von anderen Bereichen kann ein Wellendichtring vorgesehen sein, insbesondere ein Radialwellendichtring. Seine Aufgabe ist es, für die Welle einen möglichst dichten Durchlass in den evakuierten Bereich hinein zu schaffen. Es wirken hierbei ein stationäres und ein sich mit der Welle mitdrehendes Element zusammen. Das stationäre Element kann eine Gegenlauffläche sein oder eine darauf angebrachte, als Verschleißteil vorgesehene Gegenlaufhülse. Das sich radial mitdrehende Element kann eine nachgiebige Gummilippe aufweisen, die schleifend und nachgiebig verformbar auf der Gegenlauffläche bzw. der Schonhülse umläuft. Die Verteilung stationär/rotierend kann aber auch andersherum als vorstehend beschrieben sein, also Gegenlauffläche rotierend, nachgiebige Dichtlippe stationär. Jedenfalls kann es wünschenswert sein, im Bereich der Gegenlauffläche kühlend einzugreifen, um den Verschleiß zu verringern. Im Bereich der Gegenlauffläche bzw. der Schonhülse kann deshalb ein ringförmiges Peltier-Element vorgesehen sein. Die Gegenlauffläche kann eine ringförmige Fläche mit einer Normalen parallel zur axialen Richtung sein, auf der ein die Dichtlippe aufweisendes und sich in axialer Richtung erstreckendes nachgiebiges Element umläuft. Es kann dann beispielsweise die Schonhülse als Peltier-Element ausgebildet sein, oder das Peltier-Element ist unter der Oberfläche der Gegenlauffläche montiert. Der Gradient kann dann axial sein, sodass Wärme vom Ort des schleifenden Eingriffs wegtransportiert wird. Wenn das Peltier-Element nicht rotierend vorgesehen ist, hat dies den Vorteil, dass elektrische Energie nicht über eine drehende Schnittstelle hinweg zugeführt werden muss.
Eine Vakuumpumpe kann je nach Auslegung z.B. eine Turbomolekularpumpstufe und eine Holweckpumpstufe aufweisen, die in axialer Richtung aneinander angrenzen. Das Pumpgehäuse umfasst beide Pumpstufen. Im Übergangsbereich zwischen Turbomolekularpumpstufe und Holweckpumpstufe in axialer Richtung gesehen kann ein Peltier-Element sitzen, etwa im Gehäuse, also in der Gehäusewand, oder außen am Gehäuse und der Gehäusewand angebracht. Bei ihm kann der thermische Gradient axial sein, also parallel zum Rotor der Pumpe, sodass mit dem Peltier-Element Wärmeverschiebungen zwischen Holweckpumpstufe und Turbomolekularpumpstufe vorgenommen werden können. Es kann dann beispielsweise beim Ausheizen einer Vakuumpumpe das Erwärmen der Turbomolekularpumpstufe unterstützt werden, indem Wärme von der Holweckpumpstufe in die Turbomolekularpumpstufe mittels des Peltier-Elements überführt wird. Das Ausheizen einer Vakuumpumpe ist besonders für die Turbomolekularpumpstufe wünschenswert, sodass diese auf vergleichsweise hohe Temperaturen aufgeheizt wird. Gleichzeitig ist es dann wünschenswert, die Holweckpumpstufe auf möglichst herkömmlichen Temperaturen oder jedenfalls niedrigeren Temperaturen als die Turbomolekularpumpstufe zu halten. Dies kann mit einem ringförmigen Peltier-Element, dessen thermischer Gradient achsparallel liegt, erreicht werden.
Schließlich kann ein Peltier-Element auch unmittelbar an einer Holweckpumpstufe und insbesondere an einer Holweckhülse angebracht sein. Beispielsweise kann sie die Außenoberfläche der äußersten Holweckhülse umfangen, und zwar vollständig um den Umfang herum und in axialer Länge betrachtet einen Teil oder die gesamte axiale Erstreckung der Holweckhülse. Hier liegt der thermische Gradient des Peltier-Elements vorzugsweise radial. Auf diese Weise kann der Holweckbereich über den Umfang homogen temperiert werden. Bei zu hohen Temperaturen der Pumpe kann das Temperieren eine Kühlung sein. Wenn Kondensation vermieden oder verringert werden soll, kann es eine Erwärmung sein.
Wenn die Leistungsfähigkeit eines Peltier-Elements alleine nicht ausreicht, können mehrere thermisch in Serie geschaltet werden, also derart, dass sie mit ihren Temperierflächen aneinander liegen und über mehrere Stufen eine höhere Temperaturdifferenz erzeugen können. Entsprechend höher ist die Energieaufnahme. Allgemein gesprochen kann eine Steuerung oder Regelung zum Ansteuern des Peltier-Elements vorgesehen sein. Die Steuerung kann eine Polaritätssteuerung umfassen, also eine Vertauschung der Polarität der an das Peltier-Element angelegten Spannung. Die Steuerung kann auch eine Pulsbreitensteuerung umfassen zum Betreiben des Peltier-Elements mit einer getasteten Gleichspannung vorzugsweise konstanter Amplitude, wobei das Tastverhältnis einstellbar ist. Die Steuerung/Regelung kann aber auch eine Amplitudensteuerung der treibenden Gleichspannung umfassen. Wenn mehrere Peltier-Elemente thermisch in Serie geschaltet sind, können sie auch elektrisch in Serie geschaltet sein und dann gemeinsam gesteuert/geregelt werden. Sie können aber auch elektrisch parallelgeschaltet sein und dann einzeln gesteuert/geregelt werden. Es kann geeignete Sensorik vorgesehen sein, um für eine Regelung die Regelungsdifferenz ermitteln zu können. Die Sensorik kann beispielsweise Temperatursensorik sein oder ein Feuchtesensor oder ähnliches. Die Sollwertvorgaben können von einer übergeordneten Steuerung kommen oder von geeigneten Schnittstellen, darunter auch eine Benutzerschnittstelle, die manuelle Eingaben zulässt.
Bestimmte Pumpenbereiche können zeitweise der Erwärmung und zeitweise der Kühlung bedürfen. Beispielsweise sollten innere Pumpenbauteile im Dauerbetrieb in einem Temperaturbereich unter 100°C und vorzugsweise unter 90°C arbeiten, aber über 30°C oder über 40°C. So kann es beim Hochfahren einer Pumpe wünschenswert sein, diese anfänglich auf beispielsweise 60°C aufzuheizen und danach, soweit eine bestimmte Grenze überschritten werden sollte, zu kühlen. Deshalb ist allgemein ein Peltier-Element vorgesehen, das wahlweise kühlend oder wärmend betrieben werden kann. Es ist so vorgesehen, dass es am zu temperierenden Bereich angeordnet ist. Die Energieversorgung ist so ausgelegt, dass die Polarität der Versorgungsspannung am Peltier-Element umgekehrt werden kann, sodass dementsprechend auch die Wirkrichtung des Peltier-Elements umgekehrt wird. Was vorher beheizt wurde, wird nach der Umkehrung der Polarität gekühlt, und umgekehrt. Auf diese Weise können etwa Pumpenbereiche schnell in den Bereich der gewünschten Betriebstemperatur geführt werden, oder es können Justierungen im Hinblick auf Vermeidung von Kondensation vorgenommen werden.
Bei einem Verfahren zum Temperieren einer Vakuumpumpe wird ein Peltier-Element vorzugsweise um die Drehachse der Pumpe herum angebracht und dann im kühlenden oder wärmenden Betrieb betrieben. Dies kann geregelt nach Maßgabe von Sensoreingaben geschehen. Es können ein oder mehrere Temperatursensoren vorgesehen sein oder ein oder mehrere Feuchtigkeitssensoren, die dementsprechend Signale erzeugen, die bei der Steuerung bzw. Regelung berücksichtigt werden. Das Ansteuern des Peltier-Elements kann das Umschalten der Polarität der Versorgungsspannung am Peltier-Element umfassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht einer Turbomolekularpumpe,
Fig. 2: eine Ansicht der Unterseite der Turbomolekularpumpe von Fig. 1,
Fig. 3: einen Querschnitt der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie A-A,
Fig. 4: eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie B-B,
Fig. 5: eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie C-C,

Fig. 6: Einbaumöglichkeiten von Peltierelementen,
Fig. 7: eine Umschaltvorrichtung für die Spannungspolarität,
Fig. 8: ein mehrlagiges Peltierelement,
Fig. 9: Ansteuermöglichkeiten mehrlagiger Peltierelemente, und
Fig. 10: eine Regelung für ein Peltierelement.

In den folgenden Fig. 1 bis 5 wird allgemein eine Vakuumpumpe beschrieben, in der Merkmale der Erfindung verwendet werden können. In den Fig. 1 bis 5 wird die Vakuumpumpe für sich alleine beschrieben. Die insoweit gegebenen Ausführungen sind dahingehend zu verstehen, dass sie mit den danach anzugebenden Merkmalen kombinierbar sein sollen.
Die in Fig. 1 gezeigte Turbomolekularpumpe 111 umfasst einen von einem Einlassflansch 113 umgebenen Pumpeneinlass 115, an welchen in an sich bekannter Weise ein nicht dargestellter Rezipient angeschlossen werden kann. Das Gas aus dem Rezipienten kann über den Pumpeneinlass 115 aus dem Rezipienten gesaugt und durch die Pumpe hindurch zu einem Pumpenauslass 117 gefördert werden, an den eine Vorvakuumpumpe, wie etwa eine Drehschieberpumpe, angeschlossen sein kann.
Der Einlassflansch 113 bildet bei der Ausrichtung der Vakuumpumpe gemäß Fig. 1 das obere Ende des Gehäuses 119 der Vakuumpumpe 111. Das Gehäuse 119 umfasst ein Unterteil 121, an welchem seitlich ein Elektronikgehäuse 123 angeordnet ist. In dem Elektronikgehäuse 123 sind elektrische und/oder elektronische Komponenten der Vakuumpumpe 111 untergebracht, z.B. zum Betreiben eines in der Vakuumpumpe angeordneten Elektromotors 125. Am Elektronikgehäuse 123 sind mehrere Anschlüsse 127 für Zubehör vorgesehen. Außerdem sind eine Datenschnittstelle 129, z.B. gemäß dem RS485-Standard, und ein Stromversorgungsanschluss 131 am Elektronikgehäuse 123 angeordnet.
Am Gehäuse 119 der Turbomolekularpumpe 111 ist ein Fluteinlass 133, insbesondere in Form eines Flutventils, vorgesehen, über den die Vakuumpumpe 111 geflutet werden kann. Im Bereich des Unterteils 121 ist ferner noch ein Sperrgasanschluss 135, der auch als Spülgasanschluss bezeichnet wird, angeordnet, über welchen Spülgas zum Schutz des Elektromotors 125 (siehe z.B. Fig. 3) vor dem von der Pumpe geförderten Gas in den Motorraum 137, in welchem der Elektromotor 125 in der Vakuumpumpe 111 untergebracht ist, gebracht werden kann. Im Unterteil 121 sind ferner noch zwei Kühlmittelanschlüsse 139 angeordnet, wobei einer der Kühlmittelanschlüsse als Einlass und der andere Kühlmittelanschluss als Auslass für Kühlmittel vorgesehen ist, das zu Kühlzwecken in die Vakuumpumpe geleitet werden kann.
Die untere Seite 141 der Vakuumpumpe kann als Standfläche dienen, sodass die Vakuumpumpe 111 auf der Unterseite 141 stehend betrieben werden kann. Die Vakuumpumpe 111 kann aber auch über den Einlassflansch 113 an einem Rezipienten befestigt werden und somit gewissermaßen hängend betrieben werden. Außerdem kann die Vakuumpumpe 111 so gestaltet sein, dass sie auch in Betrieb genommen werden kann, wenn sie auf andere Weise ausgerichtet ist als in Fig. 1 gezeigt ist. Es lassen sich auch Ausführungsformen der Vakuumpumpe realisieren, bei der die Unterseite 141 nicht nach unten, sondern zur Seite gewandt oder nach oben gerichtet angeordnet werden kann.
An der Unterseite 141, die in Fig. 2 dargestellt ist, sind noch diverse Schrauben 143 angeordnet, mittels denen hier nicht weiter spezifizierte Bauteile der Vakuumpumpe aneinander befestigt sind. Beispielsweise ist ein Lagerdeckel 145 an der Unterseite 141 befestigt.
An der Unterseite 141 sind außerdem Befestigungsbohrungen 147 angeordnet, über welche die Pumpe 111 beispielsweise an einer Auflagefläche befestigt werden kann.
In den Figuren 2 bis 5 ist eine Kühlmittelleitung 148 dargestellt, in welcher das über die Kühlmittelanschlüsse 139 ein- und ausgeleitete Kühlmittel zirkulieren kann.
Wie die Schnittdarstellungen der Figuren 3 bis 5 zeigen, umfasst die Vakuumpumpe mehrere Prozessgaspumpstufen zur Förderung des an dem Pumpeneinlass 115 anstehenden Prozessgases zu dem Pumpenauslass 117.
In dem Gehäuse 119 ist ein Pumpenrotor 149 angeordnet, der eine um eine Rotationsachse 151 drehbare Rotorwelle 153 aufweist.
Die Turbomolekularpumpe 111 umfasst mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete turbomolekulare Pumpstufen, zusammen auch als Turbomolekularpumpstufe angesprochen, mit mehreren an der Rotorwelle 153 befestigten radialen Rotorscheiben 155 und zwischen den Rotorscheiben 155 angeordneten und in dem Gehäuse 119 festgelegten Statorscheiben 157 (zusammen auch als "Pumpenstator 157" angesprochen"). Dabei bilden eine Rotorscheibe 155 und eine benachbarte Statorscheibe 157 jeweils eine turbomolekulare Pumpstufe. Die Statorscheiben 157 sind durch Abstandsringe 159 in einem gewünschten axialen Abstand zueinander gehalten.
Die Vakuumpumpe umfasst außerdem in radialer Richtung ineinander angeordnete und pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Holweck-Pumpstufen, zusammen auch als "Holweckpumpstufe" angesprochen. Der Rotor der Holweck-Pumpstufen umfasst eine an der Rotorwelle 153 angeordnete Rotornabe 161 und zwei an der Rotornabe 161 befestigte und von dieser getragene zylindermantelförmige Holweck-Rotorhülsen 163, 165, die koaxial zur Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Ferner sind zwei zylindermantelförmige Holweck-Statorhülsen 167, 169 vorgesehen, die ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung gesehen ineinander geschachtelt sind.
Die pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Pumpstufen sind durch die Mantelflächen, also durch die radialen Innen- und/oder Außenflächen, der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 und der Holweck-Statorhülsen 167, 169 gebildet. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Statorhülse 167 liegt der radialen Außenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 171 gegenüber und bildet mit dieser die der Turbomolekularpumpen nachfolgende erste Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 steht der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 173 gegenüber und bildet mit dieser eine zweite Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 liegt der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Rotorhülse 165 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 175 gegenüber und bildet mit dieser die dritte Holweck-Pumpstufe.
Am unteren Ende der Holweck-Rotorhülse 163 kann ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der radial außenliegende Holweck-Spalt 171 mit dem mittleren Holweck-Spalt 173 verbunden ist. Außerdem kann am oberen Ende der inneren Holweck-Statorhülse 169 ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der mittlere Holweck-Spalt 173 mit dem radial innenliegenden Holweck-Spalt 175 verbunden ist. Dadurch werden die ineinander geschachtelten Holweck-Pumpstufen in Serie miteinander geschaltet. Am unteren Ende der radial innenliegenden Holweck-Rotorhülse 165 kann ferner ein Verbindungskanal 179 zum Auslass 117 vorgesehen sein.
Die vorstehend genannten pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Statorhülsen 163, 165 weisen jeweils mehrere spiralförmig um die Rotationsachse 151 herum in axialer Richtung verlaufende Holweck-Nuten auf, während die gegenüberliegenden Mantelflächen der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 glatt ausgebildet sind und das Gas zum Betrieb der Vakuumpumpe 111 in den Holweck-Nuten vorantreiben.
Zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle 153 sind ein Wälzlager 181 im Bereich des Pumpenauslasses 117 und ein Permanentmagnetlager 183 im Bereich des Pumpeneinlasses 115 vorgesehen.
Im Bereich des Wälzlagers 181 ist an der Rotorwelle 153 eine konische Spritzmutter 185 mit einem zu dem Wälzlager 181 hin zunehmenden Außendurchmesser vorgesehen. Die Spritzmutter 185 steht mit mindestens einem Abstreifer eines Betriebsmittelspeichers in gleitendem Kontakt. Der Betriebsmittelspeicher umfasst mehrere aufeinander gestapelte saugfähige Scheiben 187, die mit einem Betriebsmittel für das Wälzlager 181, z.B. mit einem Schmiermittel, getränkt sind.
In anderen Pumpenbauformen können im Bereich des Motors und des Lagers auch ein Getriebe und/oder ein Ölsumpf zum Schmieren des Lagers und ggf. des Getriebes vorgesehen sein.
Im Betrieb der Vakuumpumpe 111 wird das Betriebsmittel durch kapillare Wirkung von dem Betriebsmittelspeicher über den Abstreifer auf die rotierende Spritzmutter 185 übertragen und in Folge der Zentrifugalkraft entlang der Spritzmutter 185 in Richtung des größer werdenden Außendurchmessers der Spritzmutter 185 zu dem Wälzlager 181 hin gefördert, wo es z.B. eine schmierende Funktion erfüllt. Das Wälzlager 181 und der Betriebsmittelspeicher sind durch einen wannenförmigen Einsatz 189 und den Lagerdeckel 145 in der Vakuumpumpe eingefasst.
Das Permanentmagnetlager 183 kann eine rotorseitige Lagerhälfte 191 und eine statorseitige Lagerhälfte 193 umfassen, welche jeweils einen Ringstapel aus mehreren in axialer Richtung aufeinander gestapelten permanentmagnetischen Ringen 195, 197 umfassen. Die Ringmagnete 195, 197 liegen einander unter Ausbildung eines radialen Lagerspalts 199 gegenüber, wobei die rotorseitigen Ringmagnete 195 radial außen und die statorseitigen Ringmagnete 197 radial innen angeordnet sind. Das in dem Lagerspalt 199 vorhandene magnetische Feld ruft magnetische Abstoßungskräfte zwischen den Ringmagneten 195, 197 hervor, welche eine radiale Lagerung der Rotorwelle 153 bewirken. Die rotorseitigen Ringmagnete 195 sind von einem Trägerabschnitt 201 der Rotorwelle 153 getragen, der umlaufend hülsenförmig ausgebildet sein kann und die Ringmagnete 195 radial außen hält und ggf. umgibt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind von einem statorseitigen Trägerabschnitt 203 getragen, welcher sich durch die Ringmagnete 197 hindurch erstreckt und an radialen Streben 205 des Gehäuses 119 aufgehängt ist. Parallel zu der Rotationsachse 151 sind die rotorseitigen Ringmagnete 195 durch ein mit dem Trägerabschnitt 203 gekoppeltes Deckelelement 207 festgelegt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind parallel zu der Rotationsachse 151 in der einen Richtung durch einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 209 sowie einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 211 festgelegt. Zwischen dem Befestigungsring 211 und den Ringmagneten 197 kann außerdem eine Tellerfeder 213 vorgesehen sein.
Innerhalb des Magnetlagers ist ein Not- bzw. Fanglager 215 vorgesehen, welches im normalen Betrieb der Vakuumpumpe 111 ohne Berührung leer läuft und erst bei einer übermäßigen radialen Auslenkung des Rotors 149 relativ zu dem Stator in Eingriff gelangt, um einen radialen Anschlag für den Rotor 149 zu bilden, da eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen verhindert wird. Das Fanglager 215 ist als ungeschmiertes Wälzlager ausgebildet und bildet mit dem Rotor 149 und/oder dem Stator einen radialen Spalt, welcher bewirkt, dass das Fanglager 215 im normalen Pumpbetrieb außer Eingriff ist. Die radiale Auslenkung, bei der das Fanglager 215 in Eingriff gelangt, ist groß genug bemessen, sodass das Fanglager 215 im normalen Betrieb der Vakuumpumpe nicht in Eingriff gelangt, und gleichzeitig klein genug, sodass eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen unter allen Umständen verhindert wird.
Die Vakuumpumpe 111 umfasst den Elektromotor 125 zum drehenden Antreiben des Rotors 149. Der Anker des Elektromotors 125 ist durch den Rotor 149 gebildet, dessen Rotorwelle 153 sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckt. Auf den sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt der Rotorwelle 153 kann radial außenseitig oder eingebettet eine Permanentmagnetanordnung angeordnet sein. Zwischen dem Motorstator 217 und dem sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt des Rotors 149 ist ein Zwischenraum 219 angeordnet, welcher einen radialen Motorspalt umfasst, über den sich der Motorstator 217 und die Permanentmagnetanordnung zur Übertragung des Antriebsmoments magnetisch beeinflussen können.
Der Motorstator 217 ist in dem Gehäuse innerhalb des für den Elektromotor 125 vorgesehenen Motorraums 137 festgelegt. Über den Sperrgasanschluss 135 kann ein Sperrgas, das auch als Spülgas bezeichnet wird, und bei dem es sich beispielsweise um Luft oder um Stickstoff handeln kann, in den Motorraum 137 gelangen. Über das Sperrgas kann der Elektromotor 125 vor Prozessgas, z.B. vor korrosiv wirkenden Anteilen des Prozessgases, geschützt werden. Der Motorraum 137 kann auch über den Pumpenauslass 117 evakuiert werden, d.h. im Motorraum 137 herrscht zumindest annäherungsweise der von der am Pumpenauslass 117 angeschlossenen Vorvakuumpumpe bewirkte Vakuumdruck. Zwischen der Rotornabe 161 und einer den Motorraum 137 begrenzenden Wandung 221 kann außerdem eine Dichtung 223 vorgesehen sein, die als sog. und an sich bekannte Labyrinthdichtung ausgebildet sei kann, wie in Fig. 3 angedeutet, insbesondere um eine bessere Abdichtung des Motorraums 217 gegenüber den radial außerhalb liegenden Holweck-Pumpstufen zu erreichen. Sie kann auch als Wellendichtring, insbesondere als Radialwellendichtring mit einer nachgiebigen Lippe ausgebildet sein, die schleifend auf einer Gegenlauffläche oder einer darauf angebrachten Schonhülse umläuft. Dabei können der Dichtring stationär sein und Gegenlauffläche/Schonhülse drehbeweglich mit dem Rotor umlaufen, oder umgekehrt.
Fig. 6 zeigt Anbringungsmöglichkeiten von Peltier-Elementen. Die Peltier-Elemente sind nicht konstruktiv im Detail dargestellt, sondern lediglich schematisch als dicke Striche ausgeführt. In den gezeigten Anordnungsmöglichkeiten können sie um die Drehachse 151 herum vollständig umlaufend vorgesehen sein, oder nur teilweise. Auch wenn die Peltier-Elemente in Fig. 6 nicht beidseits der Drehachse 151 gezeigt sind, können sie trotzdem beidseits vorgesehen sein. Die Peltier-Elemente sind nur dort beidseits der Drehachse 151 eingezeichnet, wo es der graphischen Darstellung des Gesamtaufbaus nicht abträglich ist.
Mit 601 ist ein Peltier-Element bezeichnet, das zwischen Außenwand des Gehäuses und Innenoberfläche einer mit Rippen versehenen Kühlstruktur angebracht ist. Der thermische Gradient kann hier radial sein und kann insbesondere Wärme von innen nach außen befördern oder, beispielsweise beim Ausheizen, von außen nach innen. In axialer Richtung betrachtet (vertikal in Fig. 6) kann das Peltier-Element den Bereich der Kühlstruktur ganz oder teilweise abdecken. Die Kühlstruktur ist dann ein eigenes Bauteil. Mit seinen zwei Oberflächen liegt das Peltier-Element flächenschlüssig an den umgebenden Flächen an, also einerseits an der Außenoberfläche des Gehäuses und andererseits an der Innenoberfläche des Kühlkörpers. Die Querschnittsform des Peltier-Elements in Draufsicht (in Fig. 6 von oben gesehen) kann kreisringförmig sein oder jedenfalls der Querschnittsform des Gehäuses entsprechen.
Mit 602 ist ein Peltier-Element angedeutet, das im Bereich der unteren Lagerung angebracht ist und das auch im Bereich eines Ölsumpfs, soweit dieser vorgesehen ist, angebracht sein kann. Es kann auch, wie gezeigt, im Bereich der saugfähigen Scheiben 187 vorgesehen sein, die ein Schmiermittel halten. Das Peltier-Element kann wieder kreisringförmig um die Achse 151 herum vorgesehen sein. In axialer Richtung betrachtet kann es den Ölsumpf und/oder das Getriebe und/oder das Lager und/oder die saugfähigen Scheiben 187 ganz oder teilweise überdecken. Der Wärmegradient kann radial sein, also von innen nach außen, und kann insbesondere Wärme vom Inneren nach außen transportieren.
Mit 603 ist ein Peltier-Element angedeutet, das Komponenten eines Magnetlagers umgibt. Es ist um die Achse 151 herum vorgesehen. Es kann, wie angedeutet, an der Außenseite der äußeren Magnetringe anliegen. Es kann auch an der Innenseite der inneren Magnetringe anliegen. Im einen Fall wäre Energie über eine rotierende Schnittstelle, etwa über Schleifringe, zuzuführen. Im anderen Fall kann fest verdrahtet werden. Auch hier kann der Gradient in radialer Richtung verlaufen und Wärme in radialer Richtung weg vom Lager führen. Die Überdeckung des Lagers in axialer Richtung betrachtet kann ganz oder teilweise sein.
Mit 604 ist ein Peltier-Element angedeutet, das den Kompressionsbereich der Pumpe abdeckt. Letztlich kann dies der gesamte Pumpbereich sein. Die Abdeckung kann in axialer Richtung allerdings ganz oder teilweise sein. Sie kann wieder umlaufend um das Gehäuse vorgesehen sein, also umlaufend um die Achse 151 herum. Der Gradient kann hier radial verlaufen, also entweder Wärme nach außen abtransportieren oder in bestimmten Betriebszuständen Wärme von außen nach innen fördern. In dieser Ausführungsform deckt das Peltier-Element 604 vorzugsweise mindestens 30 oder mindestens 50 % der axialen Erstreckung der Kompressionsstufe ab, insbesondere der Turbomolekularpumpstufe und/oder der Holweckpumpstufe.
605 zeigt ein Peltier-Element im Bereich eines Dichtrings, insbesondere wie es im Bereich eines Radialwellendichtrings vorgesehen sein kann. Fig. 6 zeigt eine Labyrinthdichtung 223. Es kann aber auch ein Wellendichtring, insbesondere Radialwellendichtring vorgesehen sein. Hier erstreckt sich ausgehend von einer der einander gegenüberliegenden Flächen eine nachgiebige Struktur ähnlich einer Dichtlippe auf die andere der zwei Flächen zu und liegt an ihr an und schleift auf ihr, wenn sich der Rotor dreht. Die Fläche, auf der die Dichtlippe schleift, wird Gegenlauffläche genannt. Sie kann unmittelbar ein strukturelles Bauteil der Pumpe sein, oder es kann sich bei ihr um die Oberfläche einer Schonhülse handeln, die als Verschleißteil aufgesetzt wird. Es hat sich gezeigt, dass der Verschleiß bzw. Abrieb verringert werden kann, wenn die Temperatur an der Gegenlauffläche bzw. der Kontaktstelle niedrig ist. Es ist deshalb wünschenswert, die Gegenlauffläche zu kühlen. Dies kann mit einem darunterliegenden Peltier-Element 605 geschehen. Wie gezeigt, kann es um die Welle bzw. Achse 151 umlaufen. Die Wärmetransportrichtung kann in axialer Richtung sein, also weg von der umlaufenden Dichtlippe.
Mit 606 ist ein Peltier-Element gezeigt, das an einer geeigneten Stelle in axialer Richtung betrachtet zwischen Auslassbereich und Ansaugbereich, beispielsweise im Übergangsbereich zwischen Turbomolekularpumpstufe (oben in Fig. 6) und Holweckpumpstufe (unten in Fig. 6) vorgesehen ist. Es kann alternativ weiter unten als in Fig. 6 und insbesondere im Bereich der Holweckpumpstufe angeordnet sein. Es kann innen oder außen am Pumpgehäuse angebracht oder in die Gehäusewand eingearbeitet bzw. eingesetzt oder eingelassen sein. Es kann sich von innen nach außen erstrecken. Der thermische Gradient kann in axialer Richtung verlaufen, also längs der Gehäusewand, so dass Wärme in axialer Richtung bspw. zwischen den beiden Stufen verschoben werden kann, wenn dies nötig ist. Die beiden Gehäuseteile auf den zwei Seiten des Peltierelements 606 sind dadurch thermisch mindestens teilweise entkoppelbar. Beispielsweise kann beim Ausheizen der Turbomolekularpumpstufe Wärme von der unten liegenden Holweck-pumpstufe bzw. allgemeiner vom Auslassbereich nach oben zum Ansaugbereich transportiert werden. Insbesondere kann auch vermieden werden, dass beim Ausheizen der Turbomolekularpumpstufe die Holweckpumpstufe unerwünscht mitgeheizt wird. Auch das Peltier-Element 606 kann ganz oder teilweise um den Umfang des Pumpgehäuses herum, also auch um die Achse 151 herum, vorgesehen und kann in eine Aussparung bzw. Nut der Gehäusewand eingelassen sein. Es kann in radialer Richtung betrachtet den Gehäusewandquerschnitt ganz oder teilweise abdecken, insbesondere mindestens 20 % oder mindestens 40 % oder mindestens 60 % oder 100 % oder weniger, insbesondere weniger als 80 % oder weniger als 60 % der radialen Erstreckung der Gehäusewand abdecken. Anders als in Fig. 6 dargestellt kann das Peltier-Element 606 in radialer Richtung eben ausgeführt sein. Insbesondere kann es nach Art einer Beilagscheibe ausgebildet sein. Es kann axial zwischen zwei Gehäuseteilen oder zwischen einem Gehäuse bzw. Gehäuseteil einerseits und einem Unterteil der Pumpe andererseits angeordnet sein. Es können mehrere solche Peltierelemente 606 an unterschiedlichen Positionen des Gehäuses in axialer Richtung betrachtet vorgesehen sein.
Mit 607 ist ein Peltier-Element angedeutet, das im Bereich einer Holweckhülse vorgesehen ist. Es kann insbesondere an der Außenfläche der äußersten Holweckhülse liegen. Der thermische Gradient kann in radialer Richtung liegen. Das Peltier-Element 607 kann um den Umfang der Holweckhülse herum umlaufen und kann sie, in axialer Richtung betrachtet, ganz oder teilweise überdecken, vorzugsweise über mindestens 20 % oder mindestens 40 % oder mindestens 60 %, oder über weniger als 100 % oder weniger als 80 % oder weniger als 60 %. Mit einem derartigen Peltier-Element 607 kann die Holweckpumpstufe in gewünschter Weise gekühlt werden. Denkbar ist es insoweit auch, am Innenumfang beispielsweise der innersten Holweckhülse ein Peltier-Element vorzusehen, das ansonsten wie beschrieben dimensioniert sein kann und das Wärme aus der Holweckpumpstufe nach radial innen abführt.
Soweit die Peltier-Elemente 601 bis 607 umlaufend um das Gehäuse bzw. um die Achse 151 herum vorgesehen sind, bewirken sie eine homogene und über den Umfang gleichmäßig verteilte Kühlung der jeweils betroffenen Komponenten der Pumpe.
In Fig. 6 sind die Peltier-Elemente 601 bis 607 kombiniert dargestellt. Sie können allerdings jeweils für sich alleine vorgesehen sein oder in beliebigen Teilkombinationen.
Einzelne Peltier-Elemente können als überwiegend flächenförmige Bauteile mit einer typischen Dicke von 1 bis 10 mm , 1 bis 5 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mm ausgeführt werden. Die Flächenkontur des Peltier-Elements kann derjenigen der unmittelbar flächig angrenzenden Bauteile angepasst werden, sowohl sind polygonale, insbesondere rechteckige Flächen, als auch ovale, runde oder insbesondere ringförmige Flächen, weiterhin auch Freiformkonturen ausführbar. In allen Fällen kann eine Fläche vollständig massiv oder mit einem oder mehreren Ausbrüchen, Durchlässen, Bohrungen, insbesondere konzentrischen und/oder einer Mehrzahl konzentrisch regelmäßig angeordneter Öffnungen versehen sein. Die Konzentrizität steht hierbei in Bezug zum gedachten Mittelpunkt der Kontur oder dem gedachten Mittelpunkt einer Anordnung von einer oder mehrerer Mittel- oder Hauptachsen der Kontur, welche das Element im Wesentlichen, insbesondere vollständig mit seiner Innen- und/oder Außenkontur in seiner Form bestimmt.
Peltier-Elemente können aus mehreren, vorzugsweise in ihrer Flächenform ähnlichen oder identischen, aufeinander gestapelten Einzelelementen verschiedener, ähnlicher, insbesondere gleicher Dicke bestehen. Ein Stapel kann aus zwei bis fünf, drei, insbesondere aus zwei Einzelelementen bestehen. Ein Stapel kann entsprechend eine mehrfache Dicke eines Einzelelements besitzen, insbesondere 4 bis 7 mm für einen Stapel aus zwei Einzelelementen.
Fig. 7 zeigt in Kombination weitere Merkmale. Rechts ist ein Peltier-Element 601 bis 607 gezeigt. Mit 903 ist die Richtung des thermischen Gradienten angedeutet, der im Betrieb vorliegen kann. Das Peltier-Element hat zwei Seiten, die mit 901 und 902 gekennzeichnet sind. Im Betrieb kann eine die warme Seite und eine die kalte Seite sein. Welche der beiden die warme und welche die kalte Seite ist, hängt von der Polarität der angelegten Versorgungsspannung ab. 701 ist eine Spannungsquelle, insbesondere eine Gleichspannungsquelle. Sie kann an- und ausschaltbar sein und kann in ihrer Größe auch steuerbar bzw. regelbar sein. Mit 703 ist eine Umschaltvorrichtung gezeigt, mittels derer die Polarität der Versorgungsspannung am Peltier-Element umgeschaltet werden kann. Gezeigt sind zwei Umschalter 703a und 703b, die synchronisiert betrieben werden. Sie werden von einer Steuerung 702 betrieben, die von einem Anschluss 704 kommende Vorgaben empfangen kann. In der gezeigten Schalterstellung (Schalter oben) liegt die Plus-Spannung am unteren Anschluss 703d des Umschalters 703 an, während sie in der anderen Schalterstellung, also beide Schalter 703a, 703b unten, am oberen Anschluss 703c des Umschalters 703 anliegt. Für den anderen Anschluss der Spannungsquelle 701 gelten sinngemäß umgekehrte Aussagen.
Auf diese Weise kann die Polarität der Versorgungsspannung am Peltier-Element umgeschaltet werden, sodass dementsprechend auch die Wirkrichtung umgeschaltet werden kann. Wie schon bezugnehmend auf Fig. 6 dargelegt, können Peltier-Elemente damit für bestimmte Bereiche wahlweise wärmend oder kühlend verwendet werden. Die genannten Bereiche sind diejenigen der in Fig. 6 gezeigten Peltier-Elemente 601 bis 607.
Wenn ein Peltier-Element für sich alleine keine hinreichende Kühlleistung ergibt, können mehrere davon thermisch in Serie geschaltet werden. Fig. 8 zeigt dies schematisch. Es sind hier Peltier-Elemente 801, 802, 803, 804 gestapelt vorgesehen. Sie weisen jeweils erste und zweite Seiten auf, die mit Index "a" und "b" bezeichnet sind. Jedes Element für sich erzeugt im Betrieb einen bestimmten Gradienten. Diese sind mit 903a bis 903d angedeutet. Gestapelt gehören sie zum Gesamtgradienten 903. Wenn beispielsweise eines der Peltier-Elemente für sich alleine im Einbau eine Temperaturdifferenz von beispielsweise 20°C hervorrufen kann, können vier gestapelte Elemente eine Temperatur von etwa 80°C hervorrufen, die zwischen der einen Seite 901 und der anderen Seite 902 des Peltier-Elements vorliegen kann. Allgemein kann der Stapel, wie in Fig. 8 gezeigt, ein Peltier-Element 601 bis 607 der Fig. 6 sein.
Fig. 9a und 9b zeigen Ansteuermöglichkeiten der gestapelten Peltier-Elemente.
Fig. 9a zeigt eine elektrische Serienschaltung. Dann sind die einzelnen Peltier-Elemente nicht für sich alleine zugänglich, sondern werden insgesamt gesteuert, etwa durch Anschalten und Ausschalten durch den Schalter 806 nach Maßgabe einer Steuerung/Regelung 702. Es kann auch wieder die Polaritätsumschaltung 703 vorgesehen sein.
Der Betrieb von Peltier-Elementen, insbesondere eines einzelnen Elements oder auch gestapelter Elemente, kann durch analoge Steuerung der Betriebsspannung erfolgen. Die Gleichspannung aus Quelle 701 kann in ihrem Betrag einstellbar sein und dann im Betrag veränderlich an das Peltier-Element bzw. den Stapel angelegt werden. Die Betragseinstellung kann auch nach Maßgabe der Steuerung 702 erfolgen. Es kann aber auch eine tastende Steuerung durch An-/Ausschalten der Peltier-Elemente in alternierender Weise erfolgen. Dies kann als Pulsbreitenmodulation gesehen werden, bei der periodisch getastet wird, wobei das Tastverhältnis ein Maß für die Gesamtleistung ist. Die Tastfrequenz kann vergleichsweise niederfrequent sein und kann unter 10 Hz oder unter 1 Hz liegen.
Fig. 9a zeigt auch schematisch einen Sensor 805, der ein Signal zurückführt. Die Komponente 702 ist dann als Regelung ausgeführt. Der Sensor 805 kann ein Temperatursensor sein oder ein Feuchtigkeitssensor. Es können auch mehrere Sensoren vorgesehen sein, insbesondere mehrere Temperatursensoren oder eine Kombination aus Temperatursensor/en und Feuchtigkeitssensor/en. Deren Ausgaben werden in die Regelung 702 zurückgeführt und dort geeignet verarbeitet.
Fig. 9b zeigt die elektrisch parallele Ansteuerung der thermisch in Serie geschalteten Peltier-Elemente. Jedem Peltier-Element 801 bis 804 ist ein eigener Schalter 806a bis 806d zugeordnet, der nach Maßgabe der Steuerung betätigt werden kann. Es kann dann beispielsweise durch die Zahl der zugeschalteten Peltier-Elemente die Gesamtleistung gesteuert werden.
Fig. 10 zeigt eine Regelung, wie sie für eine Größe in der Pumpe vorliegen kann, beispielsweise für eine Temperatur (etwa während des Ausheizens oder während des stetigen Betriebs) oder für eine Temperaturdifferenz, beispielsweise zwischen Lagerhälften. Mit 901 ist allgemein der Vorwärtszweig des Systems bezeichnet. Er umfasst einerseits das Peltier-Element und andererseits das Gesamtsystem der Pumpe, soweit es sich auf die zu messende Größe, die in Fig. 10 als Istwert Ti symbolisiert ist, auswirkt. Die Rückführung umfasst den Sensor 805, der die Istgröße Ti erfasst und zurückführt. Am Punkt 902 wird die Regeldifferenz zwischen Sollgröße Ts und gemessenem Wert vom Sensor 805 gebildet. Nach Maßgabe der Regeldifferenz wird dann im Vorwärtszweig wieder eingegriffen. Die gesamte Regelung kann die Komponente 702 der Fig. 7, 9a und 9b sein.
903 symbolisiert den Regler im engeren Sinne, der nach Maßgabe der Regeldifferenz ein Ansteuersignal für das Peltier-Element 601 bis 607 erzeugt. Dieses wirkt auf den umgebenden Bereich ein, der in Fig. 10 durch 904 symbolisiert ist.
704 ist ein Anschluss für die Vorgabe des Sollwerts Ts. Er kann aus einer übergeordneten Steuerung/Regelung kommen, die eine Steuerung/Regelung eines größeren Prozesses sein kann. Es können hier aber auch manuelle Eingaben erfolgen.
Das Peltierelement 601 bis 607 und die vorgesehene Steuerung oder Regelung 702 können quantitativ derart gewählt bzw. ausgelegt werden, dass die für das Peltierelement benötigte Wärmepumpleistung als applikationsbezogener Wert in Relation zu den restlichen eingebrachten und/oder abgeführten Wärmeleistungen gewählt wird. Wie zu Beginn beschrieben bewältigen Vakuumpumpen nur zu einem geringen bis vernachlässigbaren Anteil reale Pumparbeit, der Großteil der Arbeit verbleibt als Verlust- bzw. Reibungswärme innerhalb der Vakuumpumpe. Während des Betriebs wird nur ein geringer bis vernachlässigbarer Anteil Wärmeleistung per Konvektion oder Strahlung über die äußere, in der Umgebungsluft befindliche Gehäuseoberfläche oder über das gepumpte Medium abgegeben. Weiterhin wird über die mechanischen Schnittstellen wie z.B. dem Einlassflansch 113 Wärmeleistung fallweise zu- oder abgeführt. Eine Summenbetrachtung oder Bilanz der verschiedenen eingebrachten Wärmeleistungen führt bei einem stationären Betriebszustand der Vakuumpumpe idealer- oder näherungsweise zu einer Nullsumme. Jede Anordnung eines oder mehrerer Peltierelemente trennt in Bezug auf die Wärmeleistungsbilanz einzelne Bereiche der Vakuumpumpe voneinander, die dann getrennt zu bilanzieren und mit den angrenzenden Peltierelementen und ihrer Wärmepumpleistung abzustimmen sind.
Beispielhaft seien zwei Bereiche der Vakuumpumpe, nämlich das Unterteil 121 als Vorvakuumbereich und das obere Teil des Gehäuses 119 als Hochvakuumbereich genannt. Sie sind ringflächig-formschlüssig miteinander gekoppelt und in Folge des Wärmeübergangs im stationären Betriebszustand bei ähnlicher Wärmekapazität beider Bereiche annähernd gleich warm. Ziel kann es jedoch sein, den Hochvakuumbereich wärmer und den Vorvakuumbereich kälter zu betreiben.
Die im Vorvakuumbereich entstehende Wärmeleistung setzt sich überwiegend aus den elektrischen Wandlerverlusten im Elektronikgehäuse 123, den elektrischen bzw. elektromagnetischen Verlusten im Elektromotor 125, der Wärmestrahlung des Rotors und den Reibungsverlusten im Wälzlager 181 zusammen. Mit der erfindungsgemäßen Zwischenlage des Peltierelements 608 zwischen Hochvakuum- und Vorvakuumbereich und der Wahl einer Wärmepumpleistung des Peltierelements 608, die im dauerhaften Mittelwert bzw. stationären, eingeschwungenen Betrieb kleiner gleich der benötigten Antriebsleistung der Vakuumpumpe ist, kann ein vollständiger oder zumindest ausreichender Transfer der durch die zugeführte Antriebsleistung im Vorvakuumbereich vorgenannt entstandenen Wärmeleistung in den Hochvakuumbereich erreicht werden.
Es kann also ein Peltierelement 606 mit einer dauerhaft einsteuerbaren effektiven Wärmepumpleistung gewählt werden, die ähnlich (± 20%, ±10%) der Antriebsleistung der Vakuumpumpe im Betriebszustand ist. Für eine schnelle Temperierung vor Erreichen eines stationären Betriebszustands kann im Vergleich hierzu das Peltierelement in seiner maximalen thermischen Pumpleistung überdimensioniert werden (z. B. + 100% oder + 50%), im Dauerbetrieb wird jedoch durch die Steuerung oder Regelung 702 eine mittlere Wärmetransportleistung des Peltierelements kleiner oder gleich der für den Antrieb der Vakuumpumpe benötigten Antriebsleistung eingestellt.
Das vorgenannte Prinzip der ausgeglichenen Wärmebilanz und des Wärmetransports zwischen zwei Bereichen einer Vakuumpumpe, die durch ein Peltierelement getrennt sind, gilt auch im umgekehrten Fall für die Zielsetzung der Wärmeabfuhr aus dem Hochvakuumbereich. In diesem Fall kann eine weitere konventionelle Wärmesenke bzw. Wärmeabfuhr in Form einer aktiven Kühlung im Vorvakuumbereich wie eingangs angesprochen hinzukommen. Dieser negative Wärmebetrag ist entsprechend mit zu bilanzieren und für die Dimensionierung des Peltierelements zu berücksichtigen.
Die maximale Wärmetransportleistung eines erfindungsgemäßen Peltierelements 606 kann auch kleiner oder gleich der maximalen Antriebsleistung der Vakuumpumpe sein. Vorteilhaft ist die maximale Wärmetransportleistung größer oder gleich der im jeweiligen Betriebszustand der Vakuumpumpe dauerhaft benötigten Antriebsleistung. Insbesondere kann die benötigte Wärmetransportleistung im Bereich der höchsten spezifischen Effizienz des Peltierelements gewählt werden, also kleiner gleich 80%, 60%, 40% oder 25% der maximalen Wärmetransportleistung.
Ein Peltierelement 604 oder 607 kann in seiner thermischen Leistung auch wie oben beschrieben ausgelegt sein.

Bezugszeichenliste

111: Vakuumpumpe
113: Einlassflansch
115: Pumpeneinlass
117: Pumpenauslass
119: Gehäuse
121: Unterteil
123: Elektronikgehäuse
125: Elektromotor
127: Anschlüsse
129: Datenschnittstelle
131: Stromversorgungsanschluss
133: Fluteinlass
135: Sperrgasanschluss
137: Motorraum
139: Kühlmittelanschlüsse
141: untere Seite
143: Schrauben
145: Lagerdeckel
147: Befestigungsbohrungen
148: Kühlmittelleitung
149: Pumpenrotor
151: Rotorachse
153: Rotorwelle
155: Rotorscheibe
157: Statorscheibe
159: Abstandsring
161: Rotornabe
163, 165: Holweck-Rotorhülse
167, 169: Holweck-Statorhülse
171: Spalt
173, 175: Holweckspalt
179: Verbindungskanal
181: Wälzlager
183: Permanentmagnetlager
185: Spritzmutter
187: Scheiben
191: rotorseitige Lagerhälfte
193: statorseitige Lagerhälfte
195, 197: Ringmagnete
203: Trägerabschnitt
207: Deckelelement
211: Befestigungsring
213: Tellerfeder
215: Fanglager
217: Motorstator
219: Zwischenraum
221: Wandung
223: Labyrinthdichtung
601-607: Peltier-Element
701: Spannungsversorgung
702: Steuerung, Regelung
703: Umschalteinrichtung
703a, 703b: Schalter
703c, 703d: Anschlüsse
704: Anschluss
801-804: Peltier-Elemente
901: Erste Seite
902: Zweite Seite
903, 903a-903d: Thermischer Gradient
904: Regler
905: Regelstrecke
906: Subtrahierer

Claims

Vakuumpumpe mit
einem Gehäuse (119),

einem Pumpenrotor (149, 163, 165) mit einer Rotorwelle (153) im Gehäuse (119),

einem Pumpenstator (157, 167, 169) im Gehäuse (119), der relativ zum Pumpenrotor (149) pumpwirksam angeordnet ist,

einem Pumpeneinlass (115) am einen Ende der Rotorwelle (153), einem Kompressionsbereich für das zu pumpende Fluid, und einer Temperiervorrichtung für einen zu temperierenden Bereich

wobei die Temperiervorrichtung ein Peltierelement mit einer beim zu temperierenden Bereich liegenden ersten Temperierfläche, die temperierbar ist, und mit einer zweiten Temperierfläche, die komplementär zur ersten Temperierfläche temperierbar ist, umfasst,

das Peltierelement den Rotor in Umfangsrichtung umgebend ausgebildet ist, und

die erste Temperierfläche und die zweite Temperierfläche in axialer oder in radialer Richtung beabstandet sind,

wobei eine Gleichstrom-Energieversorgung für das Peltierelement vorgesehen ist, die eine Schalteinrichtung aufweist zum Ein- und Ausschalten der Energiezufuhr,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gleichstrom-Energieversorgung auch zum Umschalten der Polarität der Energieversorgung am Peltierelement ausgelegt ist, und dass das Peltierelement (604) den Kompressionsbereich in Umfangsrichtung vollständig umgibt und in axialer Richtung ganz oder teilweise abdeckt.
Pumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie eine Turbomolekularpumpstufe und in axialer Richtung dagegen versetzt eine Holweckpumpstufe aufweist und

das Peltierelement (606) am Gehäuse umlaufend und in axialer Richtung betrachtet beim Übergangsbereich zwischen Turbomolekularpumpstufe und Holweckpumpstufe oder im Bereich der Holweckpumpstufe oder zwischen dem Gehäuse oder einem Gehäuseteil und einem Unterteil der Pumpe angebracht ist, insbesondere den Grenzbereich zwischen Turbomolekularpumpstufe und Holweckpumpstufe abdeckt,

und/oder dass

sie eine Holweck-Pumpstufe aufweist und

das Peltierelement (607) an einer Holweckhülse angebracht ist oder diese bildet.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Peltierelement (601 - 607) mehrere seriell angebrachte Peltierstufen aufweist.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Steuerung oder Regelung zum Ansteuern des Peltierelements vorgesehen ist.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche,
gekennzeichnet durch
einen Sensor zur Erfassung einer Betriebsgröße der Pumpe, insbesondere einen Temperatursensor, und

einen Regler zum Regeln des Peltierelements nach Maßgabe der erfassten Betriebsgröße.
Pumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuerung oder Regelung zum Ein- und Ausschalten eines Peltierelements, insbesondere zur Pulsbreitenmodulation.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren der folgenden Orte ein Peltierelement angebracht ist, wobei vorzugsweise das Peltierelement über den Umfang betrachtet jeweils teilweise oder vollständig umlaufend angeordnet ist:
• unter einem Kühlkörper,

• an einem Ölsumpf,

• an einem Lager,

• am Gehäuse innen und/oder außen,

• an einer Gegenlauffläche oder einer Schonhülse eines Radialwellendichtrings,

• am Gehäuse im Übergangsbereich zwischen einer Turbomolekularpumpstufe und einer Holweckpumpstufe,

• an einer Holweckhülse.