[0001] Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit Gehäuse, in welchem Pumpsystem und Motor
untergebracht sind, mit Gaseinlass und Gasauslass.
[0002] Vakuumpumpen erzeugen in ihrem Inneren aufgrund der Verdichtung des gepumpten Gases
Wärme. Dies ist jedoch nicht die einzige Wärmequelle. In den meisten Bauformen weisen
Vakuumpumpen bewegliche Bauteile auf, die durch einen Antrieb in Bewegung gehalten
werden. Dieser Antrieb weist einen Wirkungsgrad auf, d.h. es entsteht Verlustleistung,
die im Regelfall als Wärme abgeführt werden muss. Hinzu kommt noch die Reibung in
Lagern und einiges mehr. Die Wärme wird an die Umgebung der Vakuumpumpe abgegeben
und stellt eine Gefahrenquelle für ihren Benutzer dar.
[0003] Es besteht nun das Bedürfnis, den Benutzer der Vakuumpumpe zu schützen. Im Stand
der Technik werden Griffe vorgeschlagen, an denen der Benutzer die Vakuumpumpe auch
kurz nach dem Betrieb, also im erwärmten Zustand, bewegen kann. Dies schützt aber
nicht vor Berührung und ist daher unzureichend. Ein anderer Vorschlag ist gemäß der
EP-A 1 696 132, die komplette Vakuumpumpe in ein das eigentliche Pumpengehäuse umgebendes Außengehäuse
einzubauen. Diese Lösung bedeutet einen hohen Aufwand und es treten Probleme bei der
Zugänglichkeit von Bedienelementen auf. Außerdem greift diese Lösung in erheblichem
Maße in den Wärmehaushalt der Vakuumpumpe ein, insbesondere besteht die Gefahr der
Überhitzung.
[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schutzeinrichtung für eine Vakuumpumpe vorzustellen,
welche den Wärmehaushalt nicht ungünstig beeinflusst.
[0005] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des ersten Anspruchs.
Die abhängigen Ansprüchen 1 bis 10 stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
[0006] Durch eine Haube, die das Gehäuse der Vakuumpumpe wenigstens teilweise umgibt, kann
die Berührung Wärme führender Bauteile verhindert werden, so dass der Benutzer der
Vakuumpumpe geschützt wird. Im Bereich heißer Teile des Gehäuses werden so Flächen
geschaffen, an denen eine Berührung gefahrlos erfolgen kann. Damit können Kosten gespart
werden, die durch eine unnötig große Gestaltung der Haube entstehen. Eine Haube ist
einfach und durch kostengünstig herzustellende Aussparungen kann die Zugänglichkeit
aller Bedienelemente gewährleistet werden.
[0007] In einer ersten Weiterbildung ist ein Zwischenbauteil zwischen Gehäuse und Haube
angeordnet, so dass Gehäuse und Haube nicht in flächigem berührendem Kontakt stehen.
Dadurch wird der Wärmeeintrag in die Haube verringert. Gleichzeitig wird durch das
Zwischenbauteil ein Abstand zwischen Gehäuse und Haube geschaffen, der einen Zwischenraum
schafft. Dieser Zwischenraum ist mit Luft gefüllt, welcher als isolierendes Luftpolster
wirkt, wenn keine Zwangsbelüftung einen Luftaustausch erzwingt.
[0008] In einer Weiterbildung dieses Gedankens enthält das Zwischenbauteil Materialbestandteile,
die in das Zwischenbauteil eingeleitete mechanische Schwingungen dämpft. Hierdurch
wird verhindert, dass die Haube in Schwingungen gerät, wodurch sich insgesamt ein
ruhigeres Betriebsverhalten der Vakuumpumpe ergibt. Es werden weniger Geräusche an
die Umgebung abgegeben, was gerade für den Einsatz in Laborumgebung von Vorteil ist,
da hier Bedienpersonal anwesend ist.
[0009] Diese Weiterbildungen lassen sich dadurch weiterentwickeln, dass das Zwischenbauteil
Materialbestandteile enthält, die als thermische Barriere wirken. Hierdurch wird der
Wärmeeintrag in die Haube noch weiter reduziert.
[0010] Die Vorteile der bisher vorgestellten Weiterbildungen werden erreicht, wenn das Zwischenbauteil
elastomere Bestandteile aufweist, da diese sowohl schwingungsdämpfend wirken als auch
eine thermische Barriere darstellen.
[0011] Alle bisher vorgestellten Weiterbildungen lassen sich verbessern, indem die Haube
derart gestaltet und angeordnet wird, dass sie die Lenkung des Gasstroms eines Lüfters
durch wenigstens einen Teil von am Gehäuse angeordneten Kühlrippen bewirkt. Hierdurch
wird die Kühlung des Gehäuses effizienter, wobei gleichzeitig eine Innenkühlung der
Haube erfolgt.
[0012] Diese Weiterbildung wird verbessert, wenn der Lüfter unter der Haube angeordnet ist,
so dass die Belüftung der Kanäle zwischen Kühlrippen und Haube noch wirksamer ist.
[0013] Die nächste Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist derart, dass die Haube wenigstens
eine Öffnung aufweist, durch die der Lüfter Luft ansaugen und anschließend in die
Kanäle fördern kann. Diese Öffnung sorgt für eine wirksame Luftansaugung und schafft
gleichzeitig Gestaltungsfreiheit bei der Platzierung des Lüfters. Beispielsweise kann
dieser so nahe den Kühlrippen angeordnet werden und muss nicht zwingend am Haubenende
vorgesehen sein.
[0014] Die Vorteile der vorgestellten Weiterbildungen werden bei einer Vakuumpumpe vertieft,
deren Gehäuse mehrere Abschnitte aufweist, wobei Pumpsystem und Steuerelektronik in
unterschiedlichen Abschnitten angeordnet sind. Dies verbessert den Wärmehaushalt,
da das Pumpsystem eine Wärmequelle darstellt, während die Steuerelektonik elektronische
Bauteile aufweist, die von Wärme ferngehalten werden sollte, da sie sonst zu schnell
altern.
[0015] Die genannten Vorteile sind besonders ausgeprägt, wenn das Pumpsystem angepasst ist,
Gas vom Grob- oder Feinvakuumbereich zu verdichten und gegen Atmosphäre auszustoßen.
[0016] Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
- Fig. 1:
- a) seitlicher Blick auf eine mit Haube ausgestattete Vakuumpumpe, demontierter Zustand,
b) seitlicher Blick, montiert.
- Fig. 2:
- Senkrechter Schnitt durch Zwischenabschnitt und Steuerungsabschnitt der Vakuumpumpe.
- Fig. 3:
- Waagrechter Schnitt entlang B-B' durch die Vakuumpumpe.
- Fig. 4:
- Senkrechter Schnitt durch Pumpabschnitt und Peripherieabschnitt.
- Fig. 5:
- Schnitt entlang A-A' durch die Vakuumpumpe nach Figur 1.
[0017] In den nachfolgenden Abbildungen bezeichnen gleiche Ziffern gleiche Teile.
[0018] Die erste Abbildung zeigt eine Vakuumpumpe, welche aus vier Abschnitten aufgebaut
und von einer Haube 1 umgeben ist. Diese Haube ist im Abbildungsteil a) im demontierten
Zustand gezeigt, während sie im Abbildungsteil b) an der Vakuumpumpe montiert ist
und einen Teil des Gehäuses dieser Vakuumpumpe umgibt. Die Vakuumpumpe selbst ruht
auf einem Fuß 10.
[0019] Die Abschnitte der Vakuumpumpe beinhalten unterschiedliche Funktionseinheiten. Der
Steuerungsabschnitt 2 enthält die Steuerelektronik, welche die Netzspannung für die
Bestromung der Spulen des Antriebs aufbereitet. In einem Zwischenabschnitt 3 ist ein
Lüfter 6 angeordnet, der Luft ansaugt und in den Raum zwischen am Gehäuse vorgesehen
Kühlrippen 8 fördert, wodurch eine Kühlwirkung erzielt wird. Die Ansaug- und Förderwirkung
des Lüfters ist durch die gestrichelten Pfeile verdeutlicht. Ein Peripherieabschnitt
4 weist die Gasanschlüsse auf, also Gaseinlass 9 und -auslass. Am Peripherieabschnitt
ist außerdem der Fuß 10 angeordnet. Dieser weist Mittel auf, beispielsweise Elastomerkörper,
mit denen die Schwingungsübertragung zwischen Vakuumpumpe und Boden verringert wird.
Im Pumpabschnitt 5 sind diejenigen Bauteile angeordnet, mit denen das Gas so weit
verdichtet wird, dass es gegen die Atmosphäre ausgestoßen werden kann. Diese vier
Abschnitte sind axial aufeinanderfolgend angeordnet, wobei sich der Zwischenabschnitt
zwischen Peripherieabschnitt und Steuerungsabschnitt befindet. Auf der dem Zwischenabschnitt
gegenüberliegenden Seite des Peripherieabschnitts ist der Pumpabschnitt vorgesehen.
[0020] Die Abschnitte der Vakuumpumpe sind zumindest teilweise von der Haube 1 umgeben.
Sie ist in dem Beispiel so gestaltet, dass sie den unteren Teil der Vakuumpumpe abdeckt.
Unten bezieht sich hier auf die Richtung, in der der Fuß der Vakuumpumpe montiert
ist. Während sie so geformt ist, dass Steuerungs- und Zwischenabschnitt vollständig
verdeckt sind, ist sie im Bereich der Pumpabschnitts weniger hoch, so dass sie nur
den unteren Teil verdeckt. In diesem unteren Teil sind Kühlrippen 8 vorgesehen, wobei
diese auch im oberen Teil vorhanden sein können. Die Haube verdeckt wenigstens einen
Teil der Kühlrippen, so dass Kanäle entstehen, die durch Haube, Gehäuse und Kühlrippen
begrenzt werden. Für die Schutzfunktion kann es ausreichend sein, nur diesen unteren
Teil abzudecken, da jeweils im unteren Teil von Pumpabschnitt und Peripherieabschnitt
die wärmetragenden Elemente wie Schmiermittel und Spulen vorgesehen sind. Bei der
Gestaltung der Haube können Designfragen natürlich auch eine Rolle spielen. Die Haube
verdeckt außerdem den Lüfter. Damit dieser Luft ansaugen und anschließend in die Kanäle
fördern kann, weist die Haube eine Öffnung auf. Im Beispiel ist diese als eine Mehrzahl
von Lüftungsschlitzen 7 gestaltet. Zahl und Form der Lüftungsschlitze kann je nach
Vakuumpumpe und den Anforderungen an den Gasstrom des Lüfters variieren.
[0021] Abbildung 2 zeigt in einem senkrechten Schnitt durch die Vakuumpumpe den Aufbau von
Steuerungs- und Zwischenabschnitt. Der Steuerungsabschnitt 2 besitzt ein geschlossenes
Gehäuse, welches Kühlrippen 11 aufweist. Über diese erfolgt eine Kühlung durch freie
Konvektion. Innerhalb des Steuerungsabschnitts sind elektronische Bauteile angeordnet,
die eine Steuerelektronik 12 bilden und beispielsweise auf einer Platine montiert
sind. Diese elektronischen Bauteile formen eine Versorgungsspannung derart um, dass
Spannungen und Ströme in geeigneter Form an die Spulen des Antriebs angelegt werden
können, um in der Folge eine Drehung einer Antriebswelle zu erzielen. Die Versorgungsspannung
kann dabei eine übliche Netzspannung wie 220 V mit 50 Hz oder eine der gängigen Industriespannungen
wie 48 V sein. Solche Bauteile der Steuerelektronik, die in besonderem Maße Wärme
erzeugen, können derart angeordnet sein, dass sie die Innenwand des Gehäuses des Steuerungsabschnitts
berühren. Vorzugsweise wird dies im Bereich der Kühlrippen 11 realisiert. Ebenfalls
denkbar ist, die Steuerelektronik ganz oder teilweise in eine Vergussmasse einzubetten.
Dies erhöht ebenfalls die Wärmeableitung. Zudem wird dadurch eine höhere mechanische
Stabilität erreicht.
[0022] Der Zwischenabschnitt 3 weist in seinem Gehäuse mehrere Komponenten auf. Ein Schalter
15 dient zum Ein- und Ausschalten der Vakuumpumpe. Weitere Schalter können dort angeordnet
sein, mit denen beispielsweise eine Standby-Schaltung oder eine Drehzahlstellung realisiert
werden kann. Ebenfalls hier angeordnet ist eine Buchse 16, an der die Spannungsversorgung
angeschlossen wird. Diese Spannung wird zum einen an die Steuerelektronik gegeben,
zum anderen an ein kleines Netzteil 17, welches über geeignete elektrische Leitungsverbindungen
eine Hilfselektronik 18 mit Betriebsspannung versorgt. Diese dient zur Umsetzung des
Schaltzustandes des Schalters 15 in ein Steuersignal, welches ebenfalls über geeignete
elektrische Leitungsverbindungen an die Steuerelektronik gegeben wird. Die Hilfselektronik
weist auch Mittel auf, mit denen der Lüftermotor 6a mit Spannung versorgt und ein-/ausgeschaltet
wird. Zwischen dem Gehäuse des Zwischenabschnitts 3 und dem Steuerungsabschnitt 2
ist eine Dichtung 14 vorgesehen. Diese sorgt zum einen für eine Abdichtung des Innenraumes
gegen Feuchtigkeit und Staub, zum anderen stellt sie eine thermische Barriere dar,
so dass der Wärmeintrag in den Steuerungsabschnitt aus Richtung des Zwischenabschnitts
erschwert wird. Eine solche Dichtung ist auch zwischen Zwischenabschnitt und Peripherieabschnitt
4 vorgesehen, so dass auch hier Dichtheit und erschwerter Wärmetransport gegeben sind.
In einem Teil des Zwischenabschnitts trägt eine Tragstruktur 19 den Lüfter, welcher
den Lüftermotor und ein Lüfterblatt 6b aufweist. Gestrichelte Pfeile verdeutlichen
den Gasstrom, der durch den Lüfter erzeugt wird: Luft wird angesaugt und zwischen
die Kühlrippen 8 gefördert.
[0023] Zwischenabschnitt, Steuerungsabschnitt und ein Teil des Peripherieabschnittes sind
in Abbildung 3 einem waagrechten Schnitt durch die Vakuumpumpe entlang der Linie B-B'
gezeigt. In dieser Ansicht sind die auf der steuerungsabschnittsseitigen Stirnseite
der Vakuumpumpe angeordneten Kühlrippen 11 im Schnitt zu sehen. Sie sind mit ihrer
Längsachse in Schwerkraftrichtung orientiert, um die freie Konvektion zu optimieren.
Vorzugsweise werden die Kühlrippen des Steuerungsabschnittes nicht von der Haube 1
verdeckt, um den Luftstrom der freien Konvektion nicht zu behindern. Von der Steuerelektronik
12 gehen elektrische Versorgungsleitungen durch einen im Zwischenabschnitt vorgesehenen
Kabelkanal zum Peripherieabschnitt 4. Dieser Kabelkanal ist an beiden Enden durch
Kanaldichtungen 21 und 22 gegen Feuchtigkeit und Wärmeübergang geschützt. Insbesondere
auf der Seite der Motorsteuerung ist eine Kabeldurchführung 27 vorgesehen. Innerhalb
des Peripherieabschnitts 4 sind die Spulen 26 des Antriebs angeordnet. Die Bestromung
dieser Spulen wird durch die Steuerelektronik 12 bewirkt. Ein rotationssymetrisches
Trennelement 23 ist innerhalb der Spulen vorgesehen und trennt diese hermetisch vom
Innenraum des Trennelements. In diesen ragt das Ende einer Welle 24, auf dem Permanentmagneten
25 befestigt sind. Auch in dieser Abbildung verdeutlichen gestrichelte Pfeile den
vom Lüfter erzeugten Gasstrom. Die Ansaugung erfolgt durch die Lüftungsschlitze 7,
das Gas wird dann in Richtung des Peripherieabschnitts gefördert. In einer Weiterbildung
sind solche Lüftungsschlitze auch im Boden der Vakuumpumpe angeordnet. Der Fuß der
Vakuumpumpe hat dann auch die Aufgabe, einen Abstand zu erzeugen, durch den Luft angesaugt
werden kann.
[0024] Einen Schnitt durch den Peripherie- und den Pumpabschnitt 5 der Vakuumpumpe zeigt
Abbildung 4. Das Beispiel zeigt eine einstufige, schmiermittelgedichtete Drehschiebervakuumpumpe.
Dieser weist in dem Pumpabschnitt ein Pumpsystem 30 auf. Dieses ist an einer Stirnseite
großflächig mit dem Peripherieabschitt verbunden, so dass es dort eine gute Wärmeüberleitung
gibt. Das Gehäuse des Pumpabschnitts 5 ist gut wärmeleitend mit dem Peripherieabschnitt
verbunden, so dass die Wärme vom Peripherieabschnitt auf einen Körper mit großer Oberfläche
übertragen wird. Eine in diesem Pumpsystem vorgesehene zylindrische Bohrung wird von
der Welle 24 exzentrisch durchsetzt. Die Welle kann ein- oder mehrstückig ausgeführt
sein. Sie wird von einem ersten Gleitlager 31 und einem zweiten Gleitlager 32 drehbar
unterstützt. Diese werden durch Schmiermittel geschmiert, welches aus dem das Pumpsystem
umgebenden Schmiermittelreservoir 35 stammt. In der zylindrischen Bohrung laufen Schieber
33 um, wobei zwischen Schiebern und Wandung der zylindrischen Bohrung der Schöpfraum
34 gebildet wird. Gas gelangt über den Gaseinlass 9 in diesen Schöpfraum. An dem Wellenende,
welches dem Gleitlager 31 gegenüberliegt und in den Peripherieabschnitt 4 ragt, sind
Permanentmagnete 25 befestigt, die mit den im Peripherieabschnitt vorgesehenen Spulen
26 zusammenwirken, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Zusammen bilden Permanentmagnete
und Spulen einen Elektromotor. In diesem Beispiel handelt es sich um eine bürstenlosen
Gleichstrommotor. Obwohl die Vorteile der Erfindung bei diesem Motor besonders zur
Geltung kommen, ist sie nicht auf diese Art Antrieb beschränkt. Das Schmiermittel,
meist ein Öl, dient neben der Lagerschmierung auch zur Schmierung und Dichtung der
Schieber.
[0025] Der Pumpabschnitt ist in Abbildung 5 im Schnitt entlang A-A' dargestellt. Verdeutlicht
ist in dieser Darstellung die exzentrische Lage der Welle 24 und die Position der
Schieber 33. Zwischen diesen sind nicht gezeigte Federn vorgesehen. Das Gehäuse des
Pumpabschnitts weist Kühlrippen 8 auf. Die Haube 1 deckt die Kühlrippen ab, wodurch
Strömungskanäle 42 entstehen. Durch diese Strömungskanäle, die untereinander verbunden
sein können, strömt das vom Lüfter geförderte Gas, nimmt Wärme vom Gehäuse auf und
transportiert sie in der Folge vom Gehäuse weg. Diese Wärme entsteht im Pumpsystem
30 und wird über das Schmiermittelreservoir an das Gehäuse abgegeben. Vorzugsweise
ist die Haube so gestaltet, dass die Kanäle an ihrem Ende offen sind. Dies ist am
einfachsten zu bewerkstelligen, indem die Haube die pumpabschnittsseitige Stirnseite
der Vakuumpumpe nicht bedeckt. Zwischen Haube und Gehäuse ist ein Zwischenbauteil
40 angeordnet, welches beispielsweise hohe Elastomeranteile aufweist. Dieses Zwischenbauteil
ist vorteilhaft an jener Stelle zwischen Haube und Gehäuse angeordnet, an der Haube
und Gehäuse miteinander verbunden sind. Materialwahl und Platzierung sorgen sowohl
für eine thermische Barriere als auch für eine Reduzierung der Schwingungsübertragung
von Pumpengehäuse auf die Haube. Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben 41,
fixieren die Haube.
[0026] Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Vakuumpumpe weist einen günstigen
Wärmehaushalt auf. Eine erste starke Wärmequelle befindet sich aufgrund der Verdichtungswärme
im Pumpabschnitt 5. Eine weitere starke Wärmequelle ist der Peripherieabschnitt, da
dort die Spulen des Antriebs angeordnet sind, in denen Verlustleistung in Wärme umgewandelt
wird. Außerdem wird über die Stirnseite des Pumpsystems 30 Wärme in den Peripherieabschnitt
eingeleitet, da an dieser Stelle Pumpsystem und Peripherieabschnitt großflächig miteinander
in Kontakt stehen. Diese Wärmequellen werden durch den Zwischenabschnitt vom Steuerungsabschnitt
ferngehalten. Aufgrund der Reihenfolge der Abschnitte ist der Abstand maximiert. Hinzu
kommen die thermischen Widerstände der Dichtungen, die zwischen dem Zwischenabschnitt
und seinen Nachbarabschnitten vorgesehen sind. Diese passiven Maßnahmen bewirken einen
sehr günstigen Wärmehaushalt. Zu diesen tritt die aktive Kühlung durch den oder die
Lüfter hinzu. Durch deren Platzierung im Zwischenabschnitt werden direkt die am meisten
Wärme abgebenden Abschnitte der Vakuumpumpe mit Kühlluft angeblasen. Gefördert wird
dies noch durch die Haube, die einerseits als Berührungsschutz dient, andererseits
die vom Lüfter geförderte Kühlluft optimal an die Wärmequellen Pumpabschnitt und Peripherieabschnitt
lenkt. In denen Bereichen, wo unter der Haube keine Luftbewegung erzwungen wird, wirkt
die Luft als Luftpolster und kann die Umgebungswärme von den darunter liegenden Teilen,
beispielsweise den Steuerungsabschnitt, fernhalten. In der Summe ist die Kühlung der
vorgeschlagenen Vakuumpumpe gegenüber dem Stand der Technik entscheidend verbessert.
1. Vakuumpumpe mit Gehäuse, in welchem Pumpsystem (30) und Motor untergebracht sind,
mit Gaseinlass (9) und Gasauslass, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haube (1) das Gehäuse wenigstens teilweise umgibt.
2. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gehäuse und Haube (1) ein Zwischenbauteil (40) angeordnet ist.
3. Vakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Zwischenbauteils (40) derart gewählt ist, dass es mechanische Schwingungen
dämpft.
4. Vakuumpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Zwischenbauteils (40) derart gewählt ist, dass es als thermische
Barriere zwischen Gehäuse und Haube (1) wirkt.
5. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenbauteil (40) elastomere Bestandteile aufweist.
6. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse Kühlrippen (8) aufweist und die Haube (1) die Lenkung des Gasstroms eines
Lüfters (6) wenigstens in einen Teil der Kühlrippen bewirkt.
7. Vakuumpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (6) unter der Haube (1) angeordnet ist.
8. Vakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass die Haube (1) wenigstens eine Öffnung (7) aufweist, durch die Luft vom Lüfter (6)
angesaugt werden kann.
9. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mehrere Abschnitte (2, 3, 4, 5) aufweist, wobei Pumpsystem (30) und Steuerelektronik
(12) in unterschiedlichen Abschnitten angeordnet sind.
10. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpsystem (30) angepasst ist, Gas vom Grob- oder Feinvakuumbereich zu verdichten
und gegen Atmosphäre auszustoßen.