Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe und Verfahren zum Betreiben einer solchen Vakuumpumpe.
Die meisten Vakuumpumpen weisen bewegliche Teile auf, die Verschleiß ausgesetzt sein können. Messröhren, die in Vakuumanlagen verwendet werden, weisen ebenso Teile auf, die aufgrund einer starken physischen Belastung einem Verschleiß ausgesetzt sein können. Der Verschleiß solcher Vakuumgeräte hängt von den Betriebsbedingungen und Umgebungsbedingungen des jeweiligen Vakuumgeräts und von der Alterung der beanspruchten Komponenten des Vakuumgeräts ab.
Der Verschleiß von Komponenten eines Vakuumgeräts kann dazu führen, dass bestimmte Funktionen des Vakuumgeräts nicht oder nicht mehr im erforderlichen Maß ausgeführt werden. Eine Turbomolekular-Vakuumpumpe kann beispielsweise Wälzlager und/oder Fanglager für deren Rotor aufweisen, bei denen ein gewisser Verschleiß letztlich zu einem Ausfall der Vakuumpumpe führen kann. Der Verschleiß kann ferner zu einer Vorschädigung an bestimmten Komponenten des Vakuumgeräts führen, die durch einen unkontrollierten weiteren Betrieb des Vakuumgeräts verschlimmert werden und zu einem kompletten Ausfall des Vakuumgeräts führen kann. Dies kann beispielsweise dann auftreten, wenn eine Vakuumpumpe trotz einer gewissen Vorschädigung eines Lagers weiterhin bei Nennbedingungen bezüglich der Temperatur, der Leistung und der Drehzahl betrieben wird. Wenn beispielsweise eine Vorschädigung des Lagers nicht erkannt wird, verkürzt der Betrieb bei Nennbedingungen die Zeit bis zum Ausfall der Pumpe.
Um den Ausfall eines Vakuumgeräts aufgrund von Verschleiß zu vermeiden, sind häufig Wartungsempfehlungen oder ähnliche Vorgaben vorgesehen, die beispielsweise eine Überprüfung des Vakuumgeräts nach einer vorgegebenen Betriebszeit oder unter bestimmten anderen Bedingungen definieren. Ein Ausfall des Vakuumgeräts kann jedoch beispielsweise aufgrund der Betriebsart einer jeweiligen Vakuumpumpe vor dem Ablauf eines solchen Wartungszeitraums auftreten, wenn der Verschleiß bestimmter Komponenten des Vakuumgeräts nicht erkannt wird. Umgekehrt kann jedoch die vorgesehene Betriebszeit bis zu einer Wartung zu konservativ gewählt sein, sodass unnötigerweise eine zu frühe Wartung durchgeführt wird. Dies führt zu unnötigen Kosten für den Betrieb des Vakuumgeräts.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vakuumpumpe und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen zu schaffen, bei denen ein Ausfall der Vakuumpumpe aufgrund von Verschleiß vermieden oder zumindest verzögert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
Die Vakuumpumpe umfasst eine Verschleißerkennungseinrichtung und eine Schutzeinrichtung. Die Verschleißerkennungseinrichtung ist ausgebildet, um einen Satz von Betriebsgrößen der Vakuumpumpe zu erfassen und für jede der erfassten Betriebsgrößen einen jeweiligen Verschleißindikator für die Vakuumpumpe zu ermitteln, der den Verschleiß zumindest einer Komponente der Vakuumpumpe angibt. Die zumindest eine Komponente kann insbesondere ein Wälzlager der Vakuumpumpe sein. Die Schutzeinrichtung ist ausgebildet, um eine Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe auszuführen, wenn zumindest einer der Verschleißindikatoren einen vorbestimmten Zustand annimmt, d.h. einen jeweiligen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Der Satz von Betriebsgrößen der Vakuumpumpe umfasst unter anderem die Anzahl der Betriebsstunden der Vakuumpumpe. In diesem Fall kann die Verschleißerkennungseinrichtung ausgebildet sein, um die bisherigen Betriebsstunden der Vakuumpumpe zu erfassen. Die Verschleißerkennungseinrichtung kann zusätzlich oder alternativ ausgebildet sein, um spezifische, vorgegebene Störungsereignisse zu erkennen und ein erfasstes Störungsereignis einem bestimmten Verschleiß zuzuordnen. Anhand der Gesamtzahl der Betriebsstunden und optional auch anhand der ermittelten Störungsereignisse der Vakuumpumpe, kann die Verschleißerkennungseinrichtung diesen erfassten Betriebsgrößen einen bestimmten Zahlenwert als Verschleißindikator zuordnen. Zusätzlich erfasst die Verschleißerkennungseinrichtung als Betriebsgrößen bestimmte Betriebsparameter der Vakuumpumpe , welche die Temperatur und die Drehzahl der Vakuumpumpe umfassen. Der jeweilige Wert des Betriebsparameters kann über einen vorbestimmten Zeitraum erfasst werden, um den Verschlei-ßindikator mit den derart erfassten Werten des Betriebsparameters in Beziehung zu setzen. Die über den vorbestimmten Zeitraum erfassten Werte des Betriebsparameters können beispielsweise summiert, integriert oder auf andere Weise miteinander verrechnet werden, um dadurch beispielsweise einen Mittelwert für den Betriebsparameter zu erhalten, anhand dessen der jeweilige Verschleißindikator ermittelt werden kann. Ferner ist es zusätzlich auch möglich, dass die Verschleißerkennungseinrichtung den Zustand eines bestimmten Betriebsmittels der Vakuumpumpe erfasst und diesen Zustand einem weiteren Verschleißindikator zuordnet. Ein solcher Zustand des Betriebsmittels kann beispielsweise die Temperatur eines Kühlmittels der Vakuumpumpe und/oder die Qualität bestimmter Schmierstoffe umfassen.
Der jeweilige Verschleißindikator nimmt somit einen bestimmten Zahlenwert an, der anhand der Betriebsstunden, optional auch anhand von Störungsereignissen und anhand weiterer erfasster Betriebsparameter der Vakuumpumpe abgeleitet ist. Ein vorbestimmter Zustand des Verschleißindikators, der die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes in der Vakuumpumpe mittels der Schutzeinrichtung auslöst, umfasst in diesem Fall, dass der Zahlenwert des Verschleißindikators einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Ein weiterer Verschleißindikator kann einem bestimmten Zustand eines Betriebsmittels der Vakuumpumpe direkt zugeordnet sein, sodass der Zustand des Betriebsmittels, z.B. das Überschreiten einer bestimmten Temperatur des Kühlmittels der Vakuumpumpe, die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes direkt auslöst.
Die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe kann umfassen, dass bestimmte Betriebsparameter der Vakuumpumpe derart angepasst werden, dass der Verschleiß der Komponente der Vakuumpumpe verringert wird. Beispielsweise eine maximal mögliche Drehzahl verringert werden, um die Vakuumpumpe weiterhin betreiben zu können, ohne dass beispielsweise eine Beschädigung an deren Wälzlager oder Fanglager auftritt.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe zeichnet sich somit dadurch aus, dass nicht nur der Verschleiß der Komponente der Vakuumpumpe erfasst wird, unter anderem durch Zählen von Betriebsstunden, sondern dass zusätzlich anhand der Verschleißindikatoren eine geeignete Maßnahme zum Verringern des Verschleißes ausgelöst wird. Durch das Ermitteln des Verschleißindikators anhand der Betriebsgrößen der Vakuumpumpe erfolgt ferner eine sorgfältige Diagnose der Vakuumpumpe. Dadurch ist es möglich, beispielsweise eine Warnung auszugeben, bevor eine tatsächliche Beeinträchtigung oder sogar ein Ausfall der Vakuumpumpe und somit der Anlage erfolgt, in welche die Vakuumpumpe eingebunden ist. Durch das Auslösen der Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe kann deren Betrieb ausgedehnt bzw. dessen Betriebsdauer verlängert werden, auch wenn dieser Betrieb aufgrund der Maßnahme mit Einschränkungen verbunden ist, die jedoch unter bestimmten Umständen tolerierbar sind. Insgesamt wird ein Ausfall der Vakuumpumpe aufgrund des Verschleißes einer ihrer Komponenten dadurch vermieden, dass der Verschleiß frühzeitig erkannt und eine Gegenmaßnahme zum Verringern oder sogar zum Vermeiden des weiteren Verschleißes dieser Komponente eingeleitet wird.
Wie bereits erwähnt, umfasst der Satz der Betriebsgrößen eine Betriebsdauer der Vakuumpumpe, und einer der Verschleißindikatoren umfasst einen Zahlenwert, der von der Betriebsdauer der Vakuumpumpe abgeleitet ist. Die Betriebsdauer kann ab einer vorhergehenden Wartung der Vakuumpumpe erfasst werden, wenn beispielsweise Teile oder Komponenten der Vakuumpumpe, die einem Verschleiß ausgesetzt sind, bei dieser Wartung repariert oder ausgetauscht werden. Alternativ kann die gesamte Betriebsdauer der Vakuumpumpe erfasst werden. Konkret werden die Betriebsstunden der Vakuumpumpe gezählt, sodass der Zahlenwert der Betriebsstunden den entsprechenden Verschleißindikator darstellt. Die Anzahl der Betriebsstunden wird mit einem vorbestimmen Schwellenwert verglichen, dem eine gewisse Wahrscheinlichkeit zugeordnet ist, dass der Verschleiß der zumindest einen Komponente der Vakuumpumpe innerhalb einer relativ kurzen Zeitdauer zu einer Störung oder gar einem Ausfall der Vakuumpumpe führen kann. Ein solcher Schwellenwert kann konfigurierbar sein, d.h. dass der Schwellenwert an den speziellen Typ der Vakuumpumpe und an die Umgebung, in der die Vakuumpumpe verwendet wird, anpassbar sein kann. Ferner kann die Erfassung der Betriebsdauer der Vakuumpumpe mit einem geringen Aufwand verbunden sein, da beispielsweise bei vielen Vakuumpumpen ohnehin deren Betriebsstunden gezählt werden.
Zusätzlich umfasst der Satz der Betriebsgrößen Betriebsparameter der Vakuumpumpe . Die Verschleißerkennungseinrichtung ist ausgebildet, um den Verschlei-ßindikator zu ermitteln, indem Werte des Betriebsparameters über eine vorbestimmte Zeitdauer erfasst und mit dem Verschleißindikator in Beziehung gesetzt werden. Der Betriebsparameter umfasst eine Temperatur in einem vorbestimmten Bereich der Vakuumpumpe und eine Vibration der Vakuumpumpe. Beispielsweise kann eine Zeitdauer erfasst werden, während der die Temperatur der Vakuumpumpe oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt. Die Intensität der Vibrationen und optional auch Frequenzen und/oder die Amplitude der Vibrationen der Vakuumpumpe können über einen vorbestimmten Zeitraum erfasst werden.
Wenn die Amplitude der Vibrationen kumulativ für eine bestimmte
Zeitdauer einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt und/oder vorbestimmte Charakteristiken in den Frequenzen der Vibrationen erkennbar sind, kann dies mit einem erhöhten Verschleiß einer oder mehrerer Komponenten der Vakuumpumpe wie etwa deren Wälzlager verbunden sein. Die Messung der Vibrationen der Vakuumpumpe kann dadurch einem entsprechenden Verschleißindikator zugeordnet sein.
Ferner werden zusätzlich der Druck und die Drehzahl sowie optional ein Drehzahl/Druck-Zyklus oder mehrere Drehzahl/Druck-Zyklen und/oder ein Gasfluss in der Vakuumpumpe als Teil des Satzes der Betriebsgrößen der Vakuumpumpe erfasst. Aus der Erfassung dieser Betriebsgrößen über einen vorbestimmten Zeitraum kann wiederum ermittelt werden, ob in einem bestimmten Bereich oder an einer bestimmten Komponente der Vakuumpumpe ein erhöhter Verschleiß aufgetreten ist.
Zusätzlich kann der Satz der Betriebsgrößen einen Zustand zumindest eines Betriebsmittels der Vakuumpumpe umfassen. In diesem Fall kann die Verschleißerkennungseinrichtung ausgebildet sein, um einen zusätzlichen Verschleißindikator anhand des Zustands des zumindest einen Betriebsmittels zu ermitteln. Der Zustand des Betriebsmittels kann insbesondere die Temperatur eines Kühlmittels und/oder die Qualität eines Schmiermittels für zumindest eine Komponente der Vakuumpumpe umfassen. Bei einer solchen Ausführungsform kann der Verschleiß einer Komponente der Vakuumpumpe somit indirekt anhand der Wechselwirkung der Komponente mit dem Betriebsmittel erfasst werden. Ein erhöhter Verschleiß einer bestimmten Komponente der Vakuumpumpe kann mit anderen Worten mit einer Veränderung des Zustands des zumindest einen Betriebsmittels verbunden sein, sodass diese Änderung des Zustands des Betriebsmittels als Verschleißindikator verwendet werden kann. Beispielsweise können die Veränderung der Temperatur des Kühlmittels und/oder die Verringerung der Qualität des Schmiermittels, die beispielsweise durch eine Trübung eines Schmieröls einer Vakuumpumpe nachgewiesen werden kann, Indikatoren für den Verschleiß derjenigen Komponente der Vakuumpumpe darstellen, für die das Kühlmittel bzw. Schmiermittel vorgesehen ist.
Um den Verschleiß einer oder mehrerer Komponenten der Vakuumpumpe, d.h. insbesondere des Wälzlagers, rechtzeitig und zuverlässig zu erkennen, umfasst der Satz von Betriebsgrößen mehrere Betriebsgrößen, die gleichzeitig erfasst werden. Wie erwähnt umfasst der Satz der Betriebsgrößen die Betriebsdauer der Vakuumpumpe, mehrere Betriebsparameter wie unter anderem die Temperatur und die Vibrationen der Vakuumpumpe und optional den Zustand eines Kühlmittels oder Schmiermittels. Jeder dieser Betriebsgrößen ist ein jeweiliger Verschleißindikator zugeordnet. Die Schutzeinrichtung ist ausgebildet, um eine oder mehrere Maßnahmen zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe auszuführen, sobald zumindest einer der mehreren Verschleißindikatoren einen vorbestimmten Zustand annimmt, d.h. einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Da der Satz der Betriebsgrößen mehrere Betriebsgrößen umfasst, kann sichergestellt sein, dass die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe rechtzeitig ausgeführt wird und dass andererseits jedoch eine Wartung der Vakuumpumpe nicht unnötigerweise zu früh ausgeführt wird.
Ferner ist die Schutzeinrichtung ausgebildet sein, um die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe derart auszuführen, dass eine Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe begrenzt ist. Durch die Begrenzung der Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe können beispielsweise deren Temperatur, deren Vibrationen und/oder deren mechanische Last derart begrenzt werden, dass ein zusätzlicher Verschleiß einer oder mehrerer Komponenten der Vakuumpumpe ausgeschlossen oder zumindest verringert ist. Die Begrenzung der Leistungsaufnahme kann die maximal mögliche Drehzahl der Vakuumpumpe verringern.
Ein Prozess, der in einer Vakuumanlage ausgeführt wird, in der die Vakuumpumpe installiert ist, kann durch die verringerte Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe eingeschränkt werden. Eine solche Einschränkung kann tolerierbar sein, sodass der Prozess trotz der verringerten Leistungsaufnahme weiterhin ausführbar ist. Durch die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe kann jedoch die verfügbare Betriebsdauer der Vakuumpumpe verlängert werden, sodass der Prozess trotz der Verringerung der Leistungsaufnahme weiterhin ausgeführt werden kann. Umgekehrt kann die Verringerung der Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe gerade durch die Verlängerung der verfügbaren Betriebsdauer der Vakuumpumpe ermöglichen, dass der Prozess weiterhin ausgeführt und zu Ende gebracht werden kann, was ohne die Verringerung der Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe aufgrund des zusätzlichen Verschleißes der Vakuumpumpe möglicherweise nicht gewährleistet ist. Wenn der Prozess jedoch durch die Begrenzung der Leistungsaufnahme nicht mehr korrekt durchgeführt werden kann, da beispielsweise aufgrund einer Verringerung der Drehzahl der Vakuumpumpe der Druck in einer Vakuumkammer ansteigt, die mit der Vakuumpumpe verbunden ist, kann eine Warnung ausgegeben werden. Dadurch kann ein Bediener des Prozesses bzw. der Vakuumanlage erkennen, dass die korrekte Ausführung des Prozesses nicht mehr sichergestellt ist und der Prozess beendet werden sollte.
Die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe kann ferner derart ausgeführt werden, dass die Verwendung von Betriebsreserven eingeschränkt wird, die während eines Normalbetriebs der Vakuumpumpe nicht in Betracht gezogen werden und üblicherweise nur bei Übergängen zwischen Betriebszuständen der Vakuumpumpe eine Rolle spielen. Wenn beispielsweise eine Vakuumpumpe bezüglich des Drucks in einem Rezipienten, der mit der Vakuumpumpe verbunden ist, von einem bisherigen Betriebspunkt zu einem neuen Betriebspunkt übergehen soll, kann eine Verringerung der maximalen Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe dazu führen, dass die Vakuumpumpe für die Übergangsphase zwischen den zwei Betriebspunkten eine längere Zeitdauer benötigt, d.h. im Vergleich zu der Zeitdauer, die ohne die Begrenzung der maximalen Leistungsaufnahme erforderlich wäre. Ein entsprechender Prozess, der in der Vakuumanlage mit dem Rezipienten ausgeführt wird, wird in einem solchen Fall durch die Begrenzung der maximalen Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe möglicherweise nicht beeinflusst, oder es führt die Begrenzung der maximalen Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe lediglich zu einer Verlängerung einzelner Prozessschritte. Dies kann tolerierbar sein, solange der Prozess an sich vollständig durchführbar ist.
Die Schutzeinrichtung kann ferner ausgebildet sein, um die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe derart auszuführen, dass zumindest ein Grenzwert zum Ausgeben einer Warnung und/oder einer Fehlermeldung für zumindest eine der Betriebsgrößen verringert ist. Mit anderen Worten wird aufgrund des Verschleißes einer Komponente der Vakuumpumpe, der mittels des jeweiligen Verschleißindikators erfasst wird, die Warnung und/oder Fehlermeldung früher, d.h. bei einem geringeren Grenzwert, als während des Normalbetriebs ausgegeben. Der Verschleißindikator kann in diesem Fall angeben, dass die Vakuumpumpe aufgrund des Verschleißes zumindest einer Komponente weniger belastbar ist und beispielsweise bei Erreichen des verringerten Grenzwerts einer bestimmten Betriebsgröße abgeschaltet werden sollte.
Die Schutzeinrichtung kann zusätzlich ausgebildet sein, um die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe durch eine Anpassung eines Zustands zumindest eines Betriebsmittels der Vakuumpumpe auszuführen. Beispielsweise kann eine Menge eines zur Verfügung stehenden Betriebsmittels, beispielsweise eines Kühl- und/oder Schmiermittels, in Abhängigkeit von der Temperatur der Vakuumpumpe erhöht oder verringert werden, um einem zusätzlichen Verschleiß einer Komponente der Vakuumpumpe entgegenzuwirken.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe. Gemäß dem Verfahren wird mittels einer Verschleißerkennungseinrichtung ein Satz von Betriebsgrößen der Vakuumpumpe erfasst, und für jede der erfassten Betriebsgrößen wird ein jeweiliger Verschleißindikator für die Vakuumpumpe ermittelt, der den Verschleiß einer Komponente der Vakuumpumpe angibt. Wenn zumindest einer der Verschleißindikatoren einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wird mittels einer Schutzeinrichtung eine Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe ausgeführt. Ein vorbestimmter Zustand zum Auslösen der Maßnahme umfasst somit, dass einer der Verschleißindikatoren einen Zahlenwert aufweist, der größer als ein jeweiliger vorbestimmter Schwellenwert ist.
Die vorstehend beschriebene Vakuumpumpe ist folglich dafür vorgesehen, die Schritte des Verfahrens mittels der Verschleißerkennungseinrichtung und der Schutzeinrichtung auszuführen. Die vorstehenden Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe gelten daher sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere hinsichtlich der Offenbarung, der Vorteile und der bevorzugten Ausführungsformen.
Der Satz der Betriebsgrößen umfasst eine Betriebsdauer der Vakuumpumpe , und ein Zahlenwert eines der Verschleißindikatoren wird von der Betriebsdauer der Vakuumpumpe abgeleitet. Das Ermitteln der Betriebsdauer der Vakuumpumpe umfasst, dass deren Betriebsstunden gezählt werden.
Der Satz der Betriebsgrößen umfasst zusätzlich mehrere Betriebsparameter der Vakuumpumpe . Der jeweilige Verschleißindikator kann in diesem Fall ermittelt werden, indem Werte des Betriebsparameters über eine vorbestimmte Zeitdauer erfasst und mit dem Verschleißindikator in Beziehung gesetzt werden. Die Betriebsparameter umfassen die Temperatur der Vakuumpumpe und eine Intensität von Vibrationen und optional auch eine Amplitude oder Frequenzcharakteristika von Vibrationen der Vakuumpumpe, die kumulativ erfasst werden können. Die Betriebsparameter umfassen ferner einen Druck und eine Drehzahl eines Rotors der Vakuumpumpe sowie optional einen oder mehrere Drehzahl/Druck-Zyklen und/oder einen Gasfluss in der Vakuumpumpe.
Zusätzlich kann der Satz der Betriebsgrößen einen Zustand zumindest eines Betriebsmittels der Vakuumpumpe umfassen. Ein zusätzlicher Verschleißindikator kann in diesem Fall anhand des Zustands des zumindest einen Betriebsmittels ermittelt werden. Der Zustand des Betriebsmittels kann beispielsweise die Temperatur eines Kühlmittels für die Vakuumpumpe und/oder die Qualität eines Schmiermittels für zumindest eine Komponente der Vakuumpumpe umfassen.
Die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe wird derart mittels der Schutzeinrichtung ausgeführt, dass eine Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe begrenzt wird. Die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe kann zusätzlich derart ausgeführt werden, dass zumindest ein Grenzwert zum Ausgeben einer Wartung und/oder einer Fehlermeldung für zumindest eine der Betriebsgrößen verringert wird. Wiederum zusätzlich kann die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe ausgeführt werden, indem ein Zustand zumindest eines Betriebsmittels der Vakuumpumpe angepasst wird. Das Anpassen des Zustands des Betriebsmittels kann umfassen, dass eine zur Verfügung stehende Menge des Betriebsmittels für eine Komponente der Vakuumpumpe erhöht oder verringert wird, um dadurch den Verschleiß der Komponente zu verringern.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:
Die in
Der Einlassflansch 113 bildet bei der Ausrichtung der Vakuumpumpe gemäß
Es existieren auch Turbomolekularpumpen, die kein derartiges angebrachtes Elektronikgehäuse aufweisen, sondern an eine externe Antriebselektronik angeschlossen werden.
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.
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
Andere existierende Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, können nicht stehend betrieben werden.
An der Unterseite 141, die in
An der Unterseite 141 sind außerdem Befestigungsbohrungen 147 angeordnet, über welche die Pumpe 111 beispielsweise an einer Auflagefläche befestigt werden kann. Dies ist bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die insbesondere größer sind als die hier dargestellte Pumpe, nicht möglich.
In den
Wie die Schnittdarstellungen der
In dem Gehäuse 119 ist ein Rotor 149 angeordnet, der eine um eine Rotationsachse 151 drehbare Rotorwelle 153 aufweist.
Die Turbomolekularpumpe 111 umfasst mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete turbomolekulare Pumpstufen mit mehreren an der Rotorwelle 153 befestigten radialen Rotorscheiben 155 und zwischen den Rotorscheiben 155 angeordneten und in dem Gehäuse 119 festgelegten Statorscheiben 157. 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. Es existieren andere Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt), die keine Holweck-Pumpstufen aufweisen.
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 167, 169 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. Bei anderen existierenden Turbomolekularvakuumpumpen (nicht dargestellt) kann anstelle einer Spritzmutter eine Spritzschraube vorgesehen sein. Da somit unterschiedliche Ausführungen möglich sind, wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff "Spritzspitze" verwendet.
Der Betriebsmittelspeicher umfasst mehrere aufeinander gestapelte saugfähige Scheiben 187, die mit einem Betriebsmittel für das Wälzlager 181, z.B. mit einem Schmiermittel, getränkt sind.
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 umfasst eine rotorseitige Lagerhälfte 191 und eine statorseitige Lagerhälfte 193, 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 Absto-ßungskräfte 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, welcher die Ringmagnete 195 radial außenseitig 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 201 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, damit 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 sog. und an sich bekannte Labyrinthdichtung 223 vorgesehen sein, insbesondere um eine bessere Abdichtung des Motorraums 217 gegenüber den radial außerhalb liegenden Holweck-Pumpstufen zu erreichen.
Die Vakuumpumpe 600 umfasst ferner eine Verschleißerkennungseinrichtung 620, die mit den Komponenten 610 der Vakuumpumpe 600 in Verbindung steht, um einen Satz von Betriebsgrößen der Vakuumpumpe 600 zu erfassen und anhand der erfassten Betriebsgrößen zumindest einen Verschleißindikator für die Vakuumpumpe 600 zu ermitteln, der den Verschleiß zumindest einer Komponente 610 der Vakuumpumpe 600 angibt. Die Verschleißerkennungseinrichtung 620 erfasst dann, wenn die Vakuumpumpe 600 die Turbomolekularpumpe 111 ist, durch eine kommunikative Verbindung mit dem Elektromotor 125 als erstes Element des Satzes der Betriebsgrößen die Betriebsdauer der Vakuumpumpe 600 bzw. der Turbomolekularpumpe 111. Anhand der Betriebsdauer der Vakuumpumpe 600 leitet die Verschleißerkennungseinrichtung 620 einen Zahlenwert ab, der als ein Verschleißindikator der Vakuumpumpe 600 verwendet wird.
Die Verschleißerkennungseinrichtung 620 erfasst ferner als weitere Betriebsgrö-ßen Betriebsparameter der Vakuumpumpe 600, die im Falle der Turbomolekularpumpe 111 deren Temperatur, den Druck auf deren Hochvakuumseite, die Drehzahl des Rotors 149, einen oder mehrere Drehzahl/Druck-Zyklen und Vibrationen der Turbomolekularpumpe 111 umfassen, wobei letztere mittels eines nicht gezeigten Schwingungssensors gemessen werden. Anhand dieser erfassten Betriebsparameter der Vakuumpumpe 600 bzw. der Turbomolekularpumpe 111 ermittelt die Verschleißerkennungseinrichtung 620 wiederum einen jeweiligen Verschleißindikator, die für jeden der vorstehend genannten Betriebsparameter spezifisch und diesen zugeordnet sind. Werte der jeweiligen Betriebsgröße werden über eine vorbestimmte Zeitdauer erfasst und mit einem jeweiligen Schwellenwert verglichen, um zu ermitteln, ob eine oder mehrere der Komponenten 610 der Vakuumpumpe 600 einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt sind. Der Verschleißindikator wird dadurch mit den erfassten Werten des Betriebsparameters in Beziehung gesetzt. Die über die vorbestimmte Zeitdauer erfassten Werte des Betriebsparameters werden beispielsweise summiert, integriert oder auf andere Weise miteinander verrechnet, um dadurch einen Mittelwert für den Betriebsparameter zu erhalten, anhand dessen der Verschleißindikator ermittelt wird.
Die Verschleißerkennungseinrichtung 620 erfasst ferner einen Zustand zumindest eines Betriebsmittels der Vakuumpumpe 600, beispielsweise im Falle der Turbomolekularpumpe 111 die Qualität eines Schmiermittels für diejenigen Komponenten der Turbomolekularpumpe 111, die eine Schmierung erfordern. Die Qualität des Schmiermittels kann beispielsweise erfasst werden, indem eine oder mehrere physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Schmiermittels überwacht werden, z.B. das Vorhandensein eines bestimmten Stoffs im Schmiermittel, dessen Zähigkeit und/oder dessen optische Eigenschaften.
Die Vakuumpumpe 600 umfasst außerdem eine Schutzeinrichtung 630, die dafür vorgesehen ist, eine Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe 600 auszuführen, wenn der zumindest eine Verschleißindikator einen vorbestimmten Zustand annimmt. Die Verschleißerkennungseinrichtung 620 steht mit der Schutzeinrichtung 630 in kommunikativer Verbindung und übergibt die jeweiligen Verschleißindikatoren der verschiedenen Betriebsgrößen der Vakuumpumpe 600 an die Schutzeinrichtung 630. Der Zustand des jeweiligen Verschleißindikators, anhand dessen die Schutzeinrichtung 630 die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe 600 auslöst, ist im Falle der Betriebsdauer und der Betriebsparameter dadurch gegeben, dass deren Werte einen jeweiligen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten. Für die Betriebsmittel der Vakuumpumpe 600 ist ein vordefinierter Zustand des Betriebsmittels demjenigen Zustand des Verschleißindikators zugeordnet, der die Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe 600 auslöst.
Im Falle der Turbomolekularpumpe 111 umfasst diese Maßnahme, dass eine Leistungsaufnahme der Turbomolekularpumpe 111 begrenzt wird. Dadurch wird auch die maximal erreichbare Drehzahl des Rotors 149 der Turbomolekularpumpe 111 begrenzt. Durch diese Begrenzung der maximalen Drehzahl des Rotors 149 wird der Verschleiß des Wälzlagers 181 (vgl.
Bei 720 wird mittels der Verschleißerkennungseinrichtung 620 anhand der erfassten Betriebsgrößen ein jeweiliger Verschleißindikator für die Vakuumpumpe 600 ermittelt, der den Verschleiß einer oder mehrerer Komponenten 610 der Vakuumpumpe 600 angibt. Bei 730 wird überprüft, ob zumindest einer der Verschleißindikatoren einen vorbestimmten Zustand annimmt, d.h. indem er einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Ist dies nicht der Fall, kehrt das Verfahren zum Schritt 710 zurück, um die Betriebsgrößen der Vakuumpumpe 600 weiterhin zu überwachen und einen neuen Satz der Betriebsgrößen zu erfassen.
Wenn zumindest einer der Verschleißindikatoren, die bei 720 ermittelt wurden, jedoch den vorbestimmten Zustand annimmt, der einen erhöhten Verschleiß einer oder mehrerer Komponenten 610 angibt, wird bei 740 mittels der Schutzeinrichtung eine Maßnahme zum Verringern des Verschleißes der Vakuumpumpe 600 ausgeführt. Im Falle der Turbomolekularpumpe 111 besteht ein dieser Maßnahmen darin, dass die Leistungsaufnahme der Turbomolekularpumpe 111 begrenzt wird, um dadurch die maximale Drehzahl des Rotors 149 zu begrenzen und das Wälzlager 181 (vgl.
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