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WO2020025754A1 - Vakuumpumpe - Google Patents

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WO2020025754A1
WO2020025754A1 PCT/EP2019/070782 EP2019070782W WO2020025754A1 WO 2020025754 A1 WO2020025754 A1 WO 2020025754A1 EP 2019070782 W EP2019070782 W EP 2019070782W WO 2020025754 A1 WO2020025754 A1 WO 2020025754A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
vacuum pump
critical parameter
correlation module
rotor
operating variable
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2019/070782
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joeri COECKELBERGS
Vicente Paul GUERRERO LULE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leybold GmbH
Original Assignee
Leybold GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leybold GmbH filed Critical Leybold GmbH
Priority to EP19752141.2A priority Critical patent/EP3830422A1/de
Priority to CN201980050911.6A priority patent/CN112513469B/zh
Priority to KR1020217002887A priority patent/KR102812641B1/ko
Priority to JP2021505280A priority patent/JP2021533302A/ja
Priority to US17/263,957 priority patent/US11988211B2/en
Publication of WO2020025754A1 publication Critical patent/WO2020025754A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present invention relates to a vacuum pump and, in particular, to a dry-compressing two-shaft pump, and to a method for operating a vacuum pump.
  • Known vacuum pumps have a housing with an inlet and an outlet.
  • a rotor is arranged in the housing, which is driven by an electric motor and is thus set in rotation.
  • the rotor has rotor elements which cooperate with a stator or rotor elements of a second rotor, so that a gaseous medium is conveyed from the inlet to the outlet.
  • the distance is influenced by the operating temperature of the vacuum pump and the speed of rotation of the rotors.
  • the distance is to be designed in such a way that contact with the rotor and the housing and / or the second shaft is prevented even in the case of non-optimal operating variables, such as, for example, high inlet pressure, a high temperature of the inflowing gas or a high temperature of the cooling liquid.
  • the distance between the rotor element and stator or the rotor element of a second rotor is chosen so large that the distance has a safety margin. However, this reduces the pumping power.
  • Another critical parameter when operating a vacuum pump is the temperature of the bearings used to support the rotors.
  • the bearings heat up due to the rotation of the rotors, whereby a limit temperature must not be exceeded, since existing lubricant would decompose above the limit temperature and lose its lubricating properties.
  • the storage temperature is also limited by the thermal deformation.
  • high speed, high inlet pressure, high temperatures of the inlet gas and a high cooling water temperature lead to a temperature of the bearings, so that the speed of the rotor has to be adjusted accordingly, so that the limit temperature for the bearings even in the worst possible operating conditions is not reached.
  • the maximum possible rotational speed of the rotors is reduced, which also means that pump power is lost.
  • the object of the present invention is to create a vacuum pump and a method for operating a vacuum pump which is inexpensive to manufacture and provides optimum performance.
  • the object is achieved by a vacuum pump according to claim 1 and a method according to claim 11.
  • the vacuum pump according to the invention which is in particular a dry-compressing two-shaft pump, has a housing with an inlet and an outlet.
  • a rotor is arranged in the housing and is rotatably supported in particular by means of bearings.
  • the rotor in particular has at least one rotor element.
  • a motor is provided for driving the rotor so that the rotor is set in rotation, a gaseous medium being conveyed from the inlet to the outlet by the rotation of the rotor.
  • the vacuum pump has a control device which is connected to the motor for controlling the motor, the speed of the motor in particular being controlled here.
  • a sensor for detecting at least one operating variable of the pump, the sensor being connected to the control device.
  • the control device has a correlation module, the correlation module being designed to correlate the detected operating variable with a critical parameter of the vacuum pump.
  • the motor is controlled by means of the critical parameter by means of the control device, the motor speed in particular being controlled.
  • a critical parameter of the vacuum pump is thus derived from the at least one recorded operating variable of the pump and the motor is controlled on the basis thereof. It is no longer necessary to provide a margin of safety for the respective critical parameter, which ensures that a limit value of the critical parameter is prevented in every operating situation of the vacuum pump.
  • the vacuum pump according to the invention can therefore always perform optimally depending on the existing operating parameters.
  • more than one sensor is provided.
  • more than one operating variable, in particular a large number of operating variables, of the vacuum pump can be detected. This means that there are a large number of operating variables that can be corrected with a critical parameter.
  • a company size is detected by more than one sensor, in particular at different positions on the vacuum pump.
  • the detected operating variable is preferably one or more of the following values: temperature of the inlet gas, temperature of the outlet gas, temperature of the inflowing cooling medium, the cooling medium in particular being water, temperature of the outflowing cooling medium, which is the cooling medium is in particular water, rotational speed of the motor, motor output, the motor output being determined in particular by the current consumption or the phase offset between excitation voltage and rotation of the rotor of the electric motor, cooling medium flow rate, vibration and inlet pressure and outlet pressure.
  • These are company variables that are easy to measure. In particular, the sensors required for this are inexpensive.
  • the critical parameter is preferably the distance between the rotor and / or stator or housing. In particular if a two-shaft pump is provided, the critical parameter can also be the distance between the two rotors provided. As an alternative or in addition, the storage temperature can be selected as the critical parameter. In particular, more than one critical parameter can be taken into account. In general, the critical parameter is a parameter of the vacuum pump in which exceeding a limit value leads to damage to the vacuum pump or to failure of the vacuum pump.
  • the correlation module is preferably designed to correlate the operating variable and the critical parameter by means of regression or fuzzy logic or generally a machine learning algorithm, preferably by means of regression, or a regression model based on machine learning.
  • the correlation module is preferably designed to correlate the operating variable and the critical parameter with one another by means of a correlation function.
  • the underlying correlation function can be based on a model of the vacuum pump.
  • the correlation module preferably has a neural network, the neural network being designed in particular as a recursive neural network.
  • the operating size and the critical parameter are correlated with one another by means of the neural network. Due to the provision of the neural network, the farm size or multiple farm sizes can be correlated with a critical parameter without using a specific model.
  • the neural network is preferably trained, with at least one sensor being provided for at least one critical parameter.
  • the recorded operating variable is used as the input value for the training and the critical parameter as the output value.
  • the initial value is compared with the critical parameter, which is determined by the sensor present in the training, and thereby the neural network is trained.
  • the training only has to be carried out once for each pump type, ie for each different vacuum pump. As soon as a suitably trained neural network is available, this can be implemented in the controls of further vacuum pumps of the same type or vacuum pumps with only insignificant changes.
  • a sensor for the at least one critical parameter is therefore only required in training.
  • a sensor for the critical parameter is not required during actual operation.
  • the vacuum pump preferably has no sensor for the critical parameter. In particular, the vacuum pump has no sensor for any critical parameter. Since the sensors for critical parameters are, in particular, expensive sensors, the costs for the vacuum pump can be significantly reduced by dispensing with these sensors.
  • the control device is preferably designed to reduce the rotational speed of the rotor when the critical parameter exceeds a predetermined limit value. This prevents damage to the vacuum pump.
  • the rotational speed is preferably increased.
  • this is essentially the same limit value as described above. This ensures that optimum operating performance is always achieved depending on the existing operating conditions, which are given by the different operating sizes.
  • the invention relates to a method for operating a vacuum pump, in particular as described above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a two-shaft pump according to the present invention
  • FIG. 2 is a control diagram of the vacuum pump of FIG. 1.
  • the vacuum pump 10 designed as a screw pump in the example shown, has a housing 12 with an inlet 14 and an outlet 15.
  • a first shaft 16 with helical rotor elements 18 is arranged in the housing 12.
  • a second shaft 20 is arranged in the housing 12 with helical rotor elements 22, which are in engagement with the rotor elements 18 of the first shaft 16.
  • an electric motor 24 is provided which, via a gear 26, the two shafts 16, 20 drives and rotates.
  • the shafts 16, 20 are rotatably supported by bearings 28. Due to the opposite rotation of the two shafts 16, 20 and the pump elements 18, 22 connected to the shafts 16, 20, a gaseous medium is pumped from the inlet 14 to the outlet 15.
  • the vacuum pump 10 also has a control device 30 for controlling the electric motor 24.
  • Various sensors are connected to the control device 30 for detecting operating variables of the vacuum pump 10.
  • a sensor 36 is designed as a temperature sensor, which are arranged at the inlet 32 of a coolant supply 34 of the housing 12. This sensor 36 detects the temperature of the inflowing cooling medium, the cooling medium in particular being water.
  • a further sensor 38 which is connected to the control device 30, detects the temperature of the inlet gas at the inlet 14.
  • Further operating variables can also be detected by sensors, the operating variables, for example, also being the outlet gas temperature at the outlet 15, the temperature of the outflowing cooling medium at the outlet 40 of the coolant supply 34, the rotational speed of the rotor elements 18, 22, the motor power of the electric motor 24, the coolant flow rate, the coolant supply 34, vibrations of the vacuum pump 10 on the housing 12, inlet pressure on Inlet 14 and / or outlet pressure at outlet 15.
  • the control device 30 has a correlation module, the recorded operating variables being correlated with critical parameters of the vacuum pump 10. The control device 30 then controls the electric motor 24 of the vacuum pump 10 as a function of the critical parameters determined thereby.
  • the critical parameters are, for example, the spacing of the rotor elements 18, 22 from one another or the respective spacing of the rotor elements 18, 22 from the housing 12. If the rotor elements 18, 22 come into contact with one another or with the housing 12, this leads to a severe damage or even destruction of the vacuum pump.
  • the vacuum pump is controlled by means of the control device 30 on the basis of the determined operating variables and the critical parameters correlated therefrom, for example to reduce the rotational speed in order to avoid contact. It is not necessary to record the critical parameters directly.
  • Another critical parameter is the bearing temperature of the bearings 28. Since the lubrication of the bearings 28 can no longer be guaranteed if a limit temperature is exceeded, this can lead to the bearings 28 being destroyed.
  • Other critical parameters can also be included, each parameter of the vacuum pump for which a limit value exists such that if this limit value is exceeded, proper operation of the vacuum pump is no longer guaranteed and even damage or destruction of the Vacuum pump can be done.
  • the correlation module 44 is a neural network, which can also be designed as a machine-based model, which then correlates the operating variables 42 with one or more critical parameters of the vacuum pump.
  • the neural network of the correlation module is trained appropriately.
  • a sensor is provided on the vacuum pump, which directly determines / measures the critical parameter which is to be inferred later in operation on the basis of the operating variables. This can also involve a large number of critical parameters.
  • the procedure for training the neural network has the following steps:
  • the vacuum pumps which have the neural network thus transmitted in the respective correlation module, in particular no longer have a sensor in order to measure the critical parameter directly.
  • two critical parameters 46 are provided, such as, for example, the distance of the rotor elements from the housing 12 or from one another and the bearing temperature of the bearings 28 42 critical parameters 46 determined by means of the correlation module 44 are then compared in comparators 50 with predetermined limit values 48. Sensors for the direct measurement of the critical parameters are not provided. If the critical parameter 46 ascertained by means of the correlation module 44 exceeds the predetermined limit value 48, an adjustment of the rotational speed and in particular a reduction of the rotational speed is initiated by means of the control element 52. If more than one determined critical parameter 46 exceeds the respectively predetermined limit values 48, only the larger exceedance is taken into account due to the maximum element 54. A reduction in the speed of rotation by the control element 52 due to the larger overshoot also means that the smaller overshoot of the other critical parameter is resolved.
  • the critical parameters 46 determined by means of the correlation module 44 fall below the predefined limit values 48, then an increase in the rotational speed is initiated by means of the control element 52.
  • an absolute maximum value of the rotational speed is specified as limit value 55.
  • the speed increase caused by the control element 52 is compared with the limit value 55 in the comparator 56. If the maximum permissible rotational speed has not yet been reached, the speed increase is passed on to the electric motor 24.
  • the control diagram in FIG. 2 has a connection 58 which is connected to the electric motor 24.
  • the method for operating a vacuum pump as described above thus has the following steps: a) measuring at least one operating variable;
  • the vacuum pump 10 does not have to be designed for the worst possible operating conditions, but the operation can be dynamically adapted to the existing operating parameters, it always being ensured that critical parameters for the operation of the vacuum pump do not exceed the predetermined limit values. At the same time, however, if the critical parameters fall below the limit values, an increase in the rotational speed and thus the pump power is made possible.

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Abstract

Vakuumpumpe mit einem Gehäuse (12) mit einem Einlass (14) und einem Aus- lass (15), wobei in dem Gehäuse (12) ein Rotor (16, 20) angeordnet ist um ein gasförmiges Medium vom Einlass (14) zum Auslass (15) zu befördern. Weiterhin ist ein Motor (24) zum Rotieren des Rotors (16, 20) vorgesehen und eine mit dem Motor (24) verbundene Steuereinrichtung (30) zur Steuerung des Motors (24), wobei mindestens ein Sensor (36, 38) vorgesehen ist zur Erfassung min- destens einer Betriebsgröße (42) der Vakuumpumpe (10), wobei der Sensor (36, 38) mit der Steuereinrichtung (30) verbunden ist, und wobei die Steuer- vorrichtung (30) ein Korrelationsmodul (44) aufweist, wobei das Korrelations- modul (44) ausgebildet ist, die erfasste Betriebsgröße (42) mit mindestens ei- nem kritischen Parameter (46) zu korrelieren, und wobei der Motor (24) anhand des kritischen Parameters (46) angesteuert wird.

Description

Vakuumpumpe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe und insbesondere eine trockenverdichtende Zwei-Wellen-Pumpe, sowie ein Verfahren zum Betrieb ei- ner Vakuumpump.
Bekannte Vakuumpumpen weisen ein Gehäuse auf mit einem Einlass und einem Auslass. In dem Gehäuse ist ein Rotor angeordnet, welcher von einem Elektro- motor angetrieben wird und somit in Drehung versetzt wird. Der Rotor weist dabei Rotorelemente auf, welche mit einem Stator oder Rotorelementen eines zweiten Rotors Zusammenwirken, so dass ein gasförmiges Medium vom Einlass zum Auslass befördert wird.
Insbesondere bei trockenverdichtenden Zwei-Wellen-Pumpen ist es erforderlich, einen geringen Abstand zwischen den Rotorelementen der Rotoren bzw. den Rotorelementen und dem Stator vorzusehen um eine Rückströmung des Pumpmediums zu vermeiden und somit eine gute Pumpleistung zu erreichen. Der Abstand wird jedoch beeinflusst durch die Betriebstemperatur der Vakuum- pumpe sowie die Rotationsgeschwindigkeit der Rotoren. Der Abstand ist dabei derart auszulegen, dass auch bei nicht optimalen Betriebsgrößen, wie beispiels- weise hohem Einlassdruck, einer hohen Temperatur des einströmenden Gases oder einer hohen Temperatur der Kühlflüssigkeit, ein Berühren des Rotors mit dem Gehäuse und / oder der zweiten Welle verhindert wird. Somit wird bei bekannten Pumpen der Abstand zwischen Rotorelement und Stator bzw. dem Rotorelement eines zweiten Rotors so groß gewählt, dass der Abstand einen Sicherheitsspielraum aufweist. Hierdurch reduziert sich jedoch die Pumpleis- tung.
Es besteht die Möglichkeit den Abstand zwischen Rotorelement und Gehäuse bzw. dem Rotorelement der zweiten Welle mittels eines Sensors zu erfassen. Eine solche Erfassung ist jedoch aufwendig und damit teuer.
Ein weiterer kritischer Parameter beim Betrieb einer Vakuumpumpe ist die Tem- peratur der Lager mittels der die Rotoren gelagert werden. Durch die Drehung der Rotoren heizen sich die Lager auf, wobei eine Grenztemperatur nicht über- schritten werden darf, da vorhandenes Schmiermittel sich oberhalb der Grenz- temperatur zersetzen würde und seine Schmiereigenschaften verlieren würde. Zusätzlich ist die Lagertemperatur ebenso begrenzt durch die thermische Ver- formung. Hohe Drehzahl, hoher Einlassdruck, hohe Temperaturen des Einlass- gases sowie eine hohe Kühlwassertemperatur führen jedoch zu einer Tempera- tur der Lager, so dass die Drehzahl des Rotors entsprechend angepasst werden muss, so dass auch bei den schlecht möglichsten Betriebsbedingungen die Grenztemperatur für die Lager nicht erreicht wird. Hierzu wird die maximal mög- liche Drehgeschwindigkeit der Rotoren reduziert, wodurch ebenso Pumpleistung verloren geht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Vakuumpumpe sowie ein Ver- fahren zum Betrieb einer Vakuumpumpe zu schaffen, die günstig in der Herstel- lung ist und eine optimale Leistung erbringt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 11. Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine trockenverdichtende Zwei-Wellen-Pumpe handelt, weist ein Gehäuse auf mit ei- nem Einlass und einem Auslass. In dem Gehäuse ist ein Rotor angeordnet, wel- cher insbesondere drehbar mittels Lagern abgestützt wird. Dabei weist der Rotor insbesondere mindestens ein Rotorelement auf. Weiterhin ist ein Motor vorge- sehen zum Antreiben des Rotors, so dass der Rotor in Drehung versetzt wird, wobei durch die Drehung des Rotors ein gasförmiges Medium vom Einlass zum Auslass befördert wird. Weiterhin weist die Vakuumpumpe eine Steuereinrich- tung auf, die mit dem Motor verbunden ist zur Steuerung des Motors, wobei hier insbesondere die Drehzahl des Motors gesteuert wird.
Erfindungsgemäß ist ein Sensor vorgesehen zur Erfassung mindestens einer Be- triebsgröße der Pumpe, wobei der Sensor mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Die Steuervorrichtung weist ein Korrelationsmodul auf, wobei das Korrelati- onsmodul ausgebildet ist, die erfasste Betriebsgröße mit einem kritischen Para- meter der Vakuumpumpe zu korrelieren. Sodann wird mittels der Steuereinrich- tung der Motor anhand des kritischen Parameters angesteuert, wobei insbeson- dere die Drehzahl des Motors gesteuert wird. Somit wird aus der mindestens einen erfassten Betriebsgröße der Pumpe ein kritischer Parameter der Vakuum- pumpe abgeleitet und anhand dessen der Motor angesteuert. Das Vorsehen ei- nes Sicherheitsspielraums des jeweiligen kritischen Parameters, welcher sicher- stellt, dass in jeder Betriebssituation der Vakuumpumpe ein Überschreiten eines Grenzwertes des kritischen Parameters verhindert wird, ist nicht mehr erforder- lich. Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe kann somit stets eine optimale Leis- tung erbringen in Abhängigkeit der vorliegenden Betriebsgrößen.
Vorzugsweise ist mehr als ein Sensor vorgesehen. Durch das Vorsehen von mehr als einem Sensor kann mehr als eine Betriebsgröße, insbesondere eine Vielzahl an Betriebsgrößen, der Vakuumpumpe erfasst werden. Somit liegt eine Vielzahl von Betriebsgrößen vor, welche mit einem kritischen Parameter korre- liert werden können. Alternativ hierzu ist es möglich, dass eine Betriebsgröße durch mehr als einen Sensor erfasst wird, insbesondere an unterschiedlichen Positionen an der Vakuumpumpe.
Vorzugsweise handelt es sich bei der erfassten Betriebsgröße um einen oder mehreren der folgenden Werte: Temperatur des Einlassgases, Temperatur des Auslassgases, Temperatur des einströmenden Kühlmediums, wobei es sich bei dem Kühlmedium insbesondere um Wasser handelt, Temperatur des ausströ- menden Kühlmediums, wobei es sich bei dem Kühlmedium insbesondere um Wasser handelt, Drehgeschwindigkeit des Motors, Motorleistung, wobei die Mo- torleistung insbesondere durch die Stromaufnahme oder den Phasenversatz zwischen Erregerspannung und Drehung des Rotors des Elektromotors be- stimmt wird, Kühlmediumflussrate, Vibration sowie Einlassdruck und Auslass- druck. Hierbei handelt es sich um Betriebsgrößen, welche einfach zu messen sind. Insbesondere sind die hierfür erforderlichen Sensoren kostengünstig.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem kritischen Parameter um den Abstand zwischen Rotor und / oder Stator oder Gehäuse. Insbesondere bei Vorsehen einer Zwei-Wellen-Pumpe kann es sich bei dem kritischen Parameter auch um den Abstand zwischen den zwei vorgesehenen Rotoren handeln. Alternativ oder zusätzlich kann als kritischer Parameter die Lagertemperatur gewählt sein. Ins- besondere kann mehr als ein kritischer Parameter berücksichtigt werden. Allge- mein handelt es sich bei dem kritischen Parameter um einen Parameter der Vakuumpumpe, bei dem ein Überschreiten eines Grenzwertes zur Beschädigung der Vakuumpumpe oder zum Ausfall der Vakuumpumpe führt.
Vorzugsweise ist das Korrelationsmodul ausgebildet die Betriebsgröße und den kritischen Parameter mittels einer Regression oder einer Fuzzy-Logik oder all- gemein einem Maschinellen-Lernen-Algorithmus, vorzugsweise mittels Regres- sion, oder einem auf maschinellen Lernen basierenden Regressionsmodel mit- einander zu korrelieren. Vorzugsweise ist das Korrelationsmodul ausgebildet die Betriebsgröße und den kritischen Parameter mittels einer Korrelationsfunktion miteinander zu korrelie- ren. Dabei kann die zugrundeliegende Korrelationsfunktion auf einem Modell der Vakuumpumpe basieren. Somit wird jede Betriebsgröße oder eine Vielzahl von Betriebsgrößen aufgrund der Korrelationsfunktion einem bestimmten Wert des kritischen Parameters oder der kritischen Parameter zugeordnet, so dass un- mittelbar aus der erfassten Betriebsgröße bzw. der Vielzahl an erfassten Be- triebsgrößen auf den bzw. die kritischen Parameter geschlossen werden kann.
Vorzugsweise weist das Korrelationsmodul ein neuronales Netzwerk auf, wobei das neuronale Netzwerk insbesondere als rekursives neuronales Netzwerk aus- gebildet ist. Dabei werden die Betriebsgröße und der kritische Parameter mittels des neuronalen Netzwerks miteinander korreliert. Aufgrund des Vorsehens des neuronalen Netzwerks kann ohne auf ein bestimmtes Modell zurückzugreifen die Betriebsgröße oder mehrere Betriebsgrößen mit einem kritischen Parameter korreliert werden.
Vorzugsweise wird das neuronale Netzwerk trainiert, wobei zunächst mindes- tens ein Sensor für mindestens einen kritischen Parameter vorgesehen ist. Da- bei wird für das Training die erfasste Betriebsgröße als Eingangswert verwendet und der kritische Parameter als Ausgangswert. Dabei wird der Ausgangswert verglichen mit dem kritischen Parameter, welcher durch den im Training vor- handenen Sensor ermittelt wird, und hierdurch das neuronale Netzwerk trai- niert. Das Training muss dabei für jeden Pumptyp, d.h. für jede unterschiedliche Vakuumpumpe lediglich einmal durchgeführt werden. Sobald ein geeignet trai- niertes neuronales Netzwerk vorliegt, kann dies in die Steuerungen weiterer Vakuumpumpen desgleichen Typs oder Vakuumpumpen mit lediglich unwesent- lichen Änderungen implementiert werden. Somit ist nur im Training ein Sensor für den mindestens einen kritischen Parameter erforderlich. Während des ei- gentlichen Betriebs kann auf einen Sensor für den kritischen Parameter verzich- tet werden. Vorzugsweise weist die Vakuumpumpe keinen Sensor für den kritischen Para- meter auf. Insbesondere weist die Vakuumpumpe keinen Sensor für jeglichen kritischen Parameter auf. Da es sich bei den Sensoren für kritische Parameter insbesondere um teure Sensoren handelt, können durch den Verzicht auf diese Sensoren die Kosten für die Vakuumpumpe deutlich reduziert werden.
Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung ausgebildet um bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts durch den kritischen Parameter die Drehgeschwin- digkeit des Rotors zu reduzieren. Somit wird verhindert, dass eine Beschädigung der Vakuumpumpe eintritt.
Vorzugsweise wird bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts durch den kritischen Parameter die Drehgeschwindigkeit erhöht. Hierbei handelt es sich insbesondere im Wesentlichen um denselben Grenzwert wie vorstehend be- schrieben. Hierdurch wird sichergestellt, dass stets eine optimale Betriebsleis- tung erzielt wird in Abhängigkeit der vorliegenden Betriebsbedingungen, welche gegeben sind durch die verschiedenen Betriebsgrößen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Vakuumpumpe insbesondere wie vorstehend beschrieben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform un- ter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Zwei-Wellen-Pumpe ent- sprechend der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 ein Steuerungsdiagramm der Vakuumpumpe der Fig. 1. Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe 10, im dargestellten Beispiel ausgebildet als Schraubenpumpe, weist ein Gehäuse 12 auf mit einem Einlass 14 und einem Auslass 15. In dem Gehäuse 12 ist eine erste Welle 16 mit schraubenförmigen Rotorelementen 18 angeordnet. Parallel hierzu ist eine zweite Welle 20 in dem Gehäuse 12 angeordnet mit schraubenförmigen Rotorelementen 22, die im Ein- griff stehen mit den Rotorelementen 18 der ersten Welle 16. Weiterhin ist ein Elektromotor 24 vorgesehen, welcher über ein Getriebe 26 die beiden Wellen 16, 20 antreibt und in Drehung versetzt. Hierzu sind die Wellen 16, 20 durch Lager 28 drehend gelagert. Aufgrund der gegenläufigen Drehung der beiden Wellen 16, 20 und den mit den Wellen 16, 20 verbundenen Pumpelemente 18, 22 erfolgt ein Pumpen eines gasförmigen Mediums vom Einlass 14 zum Auslass 15.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe 10 weist weiterhin eine Steuerungsvor- richtung 30 auf zur Steuerung des Elektromotors 24. Mit der Steuervorrichtung 30 sind diverse Sensoren verbunden zur Erfassung von Betriebsgrößen der Va- kuumpumpe 10. In der Fig. 1 ist beispielsweise ein Sensor 36 ausgebildet als Temperatursensoren, welche am Einlass 32 einer Kühlmittelversorgung 34 des Gehäuses 12 angeordnet sind. Dieser Sensor 36 erfasst die Temperatur des einströmenden Kühlmediums, wobei es sich bei dem Kühlmedium insbesondere um Wasser handelt. Ein weiterer Sensor 38, der mit der Steuerungsvorrichtung 30 verbunden ist, erfasst die Temperatur des Einlassgases am Einlass 14. Wei- tere Betriebsgrößen können ebenfalls durch Sensoren erfasst werden, wobei es sich bei den Betriebsgrößen beispielsweise darüber hinaus noch um die Auslass- gastemperatur am Auslass 15 handelt, die Temperatur des ausströmenden Kühlmediums am Auslass 40 der Kühlmittelversorgung 34, der Drehgeschwin- digkeit der Rotorelemente 18, 22, der Motorleistung des Elektromotors 24, der Kühlmediumflussrate, der Kühlmittelversorgung 34, Vibrationen der Vakuum- pumpe 10 am Gehäuse 12, Einlassdruck am Einlass 14 und / oder Auslassdruck am Auslass 15. Einzelne, mehrere oder alle dieser vorgenannten Betriebsgrößen werden von der Steuereinrichtung 30 erfasst. Die Steuervorrichtung 30 weist ein Korrelati- onsmodul aus, wobei die erfassten Betriebsgrößen mit kritischen Parametern der Vakuumpumpe 10 korreliert werden. Sodann steuert die Steuervorrichtung 30 den Elektromotor 24 der Vakuumpumpe 10 in Abhängigkeit der hierdurch ermittelten kritischen Parameter. Bei den kritischen Parametern handelt es bei- spielsweise um den Abstand der Rotorelemente 18, 22 zueinander oder den jeweiligen Abstand der Rotorelemente 18, 22 zum Gehäuse 12. Kommen die Rotorelemente 18, 22 miteinander oder mit dem Gehäuse 12 in Berührung, führt dies zu einer starken Beschädigung oder gar zur Zerstörung der Vakuumpumpe. Mittels der Steuervorrichtung 30 wird auf Grund der ermittelten Betriebsgrößen und der daraus korrelierten kritischen Parameter die Vakuumpumpe angesteu- ert, beispielsweise zur Reduzierung der Drehgeschwindigkeit zur Vermeidung einer Berührung. Eine unmittelbare Erfassung der kritischen Parameter ist dabei nicht erforderlich. Ein weiterer kritischer Parameter ist die Lagertemperatur der Lager 28. Da bei Überschreiten einer Grenztemperatur die Schmierung der La- ger 28 nicht mehr gewährleistet ist, kann dies zu einer Zerstörung der Lager 28 führen. Weitere kritische Parameter können ebenfalls umfasst sein, wobei als kritischer Parameter jeder Parameter der Vakuumpumpe gilt, für den ein Grenz- wert derart existiert, dass bei Überschreiten dieses Grenzwertes der ordnungs- gemäße Betrieb der Vakuumpumpe nicht mehr gewährleistet ist und sogar eine Beschädigung oder Zerstörung der Vakuumpumpe erfolgen kann.
Fig. 2 zeigt ein Steuerungsdiagramm. Hierbei wird eine Vielzahl von Betriebsgrö- ßen 42 in ein Korrelationsmodul 44 geführt. Im Bespiel der Fig. 2 werden hierbei drei Betriebsgrößen 42 herangezogen. Diese Anzahl ist hierauf jedoch nicht be- schränkt, so dass mehr oder weniger Betriebsgrößen 42 herangezogen werden und an das Korrelationsmodul 44 übergeben werden können. Insbesondere handelt es sich bei dem Korrelationsmodul 44 um ein neuronales Netzwerk, welches auch ausgebildet sein kann als maschinenlern basiertes Mo- del, welches sodann die Betriebsgrößen 42 mit einem oder mehr kritischen Pa- rametern der Vakuumpumpe korreliert. Hierzu wird das neuronale Netzwerk des Korrelationsmoduls geeignet trainiert. Insbesondere ausschließlich für das Trai- ning wird ein Sensor an der Vakuumpumpe vorgesehen, welcher den kritischen Parameter unmittelbar ermittelt/misst, auf den später im Betrieb auf Grundlage der Betriebsgrößen geschlossen werden soll. Hierbei kann es sich auch um eine Vielzahl an kritischen Parametern handeln. Das Verfahren zum Training des neu- ronalen Netzwerks weist die folgenden Schritte auf:
a) Ermitteln der mindestens einen Betriebsgröße;
b) Korrelieren mit einem Wert für den mindestens einen kritischen Parame- ter;
c) Vergleichen des bestimmten Wertes des kritischen Parameters mit dem durch den im Training vorgesehenen Sensor gemessenen kritischen Pa- rameter;
d) Bei fehlender Übereinstimmung oder einer zu großen Abweichung : An- passen des neuronalen Netzwerks und erneutes Ausführen der Schritte a) bis d);
e) Bei Übereinstimmung oder eines unterhalb eines vorgegebenen Grenz- werts liegenden Abweichung : Beenden des Trainings;
f) Übertragung des so trainierten neuronalen Netzwerks in Vakuumpumpen desselben Typs.
Dabei weisen die Vakuumpumpen, welche das so übertragene neuronale Netz- werk im jeweiligen Korrelationsmodul aufweisen, insbesondere keinen Sensor mehr auf um den kritischen Parameter unmittelbar zu messen.
Im dargestellten Beispiel der Fig. 2 sind zwei kritische Parameter 46 vorgese- hen, wie beispielsweise der Abstand der Rotorelemente zum Gehäuse 12 bzw. zueinander und die Lagertemperatur der Lager 28. Die aus den Betriebsgrößen 42 mittels dem Korrelationsmodul 44 ermittelten kritischen Parametern 46 wer- den sodann in Komparatoren 50 mit vorgegebenen Grenzwerten 48 verglichen. Sensoren zur unmittelbaren Messung der kritischen Parameter sind nicht vor- gesehen. Überschreitet hierbei der mittels dem Korrelationsmodul 44 ermittelte kritische Parameter 46 den vorgegebenen Grenzwert 48, wird mittels dem Steu- erungselement 52 eine Anpassung der Drehgeschwindigkeit und insbesondere eine Reduzierung der Drehgeschwindigkeit veranlasst. Überschreiten mehr als ein ermittelter kritischer Parameter 46 die jeweils vorgegebenen Grenzwerte 48, wird aufgrund des Maximumelements 54 lediglich die größere Überschreitung berücksichtigt. Eine Reduzierung der Drehgeschwindigkeit durch das Steue- rungselement 52 aufgrund der größeren Überschreitung führt gleichzeitig dazu, dass die kleinere Überschreitung des anderen kritischen Parameters aufgelöst wird.
Unterschreiten jedoch die mittels des Korrelationsmoduls 44 ermittelten kriti- schen Parameter 46 die vorgegebenen Grenzwerte 48, so wird mittels des Steu- erungselements 52 eine Erhöhung der Drehgeschwindigkeit veranlasst. Hierzu ist jedoch ein absoluter Maximalwert der Drehgeschwindigkeit als Grenzwert 55 vorgegeben. Die vom Steuerungselement 52 veranlasste Drehzahlerhöhung wird mit dem Grenzwert 55 im Komparator 56 verglichen. Ist die maximal zu- lässige Drehgeschwindigkeit noch nicht erreicht, so wird die Drehzahlerhöhung an den Elektromotor 24 weitergegeben. Hierzu weist das Steuerungsbild der Fig. 2 einen Anschluss 58 auf, welcher mit dem Elektromotor 24 verbunden ist.
Das Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe wie vorstehend beschrieben weist somit folgende Schritte auf: a) Messen mindestens einer Betriebsgröße;
b) Korrelieren der gemessenen Betriebsgröße mit mindestens einem kriti- schen Parameter; c) Vergleichen des ermittelten kritischen Parameters mit einem vorgegebe- nen Grenzwert;
d) Ansteuern des Motors und insbesondere Anpassung der Drehzahl in Ab- hängigkeit des erfolgten Vergleichs.
Somit muss die Vakuumpumpe 10 nicht auf die schlecht möglichsten Betriebs- bedingungen ausgelegt werden, sondern der Betrieb kann dynamisch angepasst werden an die vorhandenen Betriebsgrößen, wobei stets darauf geachtet wird, dass kritische Parameter für den Betrieb der Vakuumpumpe die vorgegebenen Grenzwerte nicht überschreiten. Gleichzeitig wird jedoch bei Unterschreitung der Grenzwerte durch die kritischen Parameter eine Erhöhung der Drehge- schwindigkeit und somit der Pumpleistung ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Vakuumpumpe, insbesondere trockenverdichtende Zwei-Wellen-Pumpe, mit einem Gehäuse (12) mit einem Einlass (14) und einem Auslass (15), einem in dem Gehäuse (12) angeordneten Rotor (16, 20) um ein gasför- miges Medium vom Einlass (14) zum Auslass (15) zu befördern, einem Motor (24) zum Rotieren des Rotors (16, 20) und einer mit dem Motor (24) verbundenen Steuereinrichtung (30) zur Steue- rung des Motors (24), insbesondere der Drehzahl, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (36, 38) vorgesehen ist zur Erfassung mindestens einer Betriebsgröße (42) der Vakuumpumpe (10), wobei der Sensor (36, 38) mit der Steuereinrichtung (30) verbunden ist, wobei die Steuervorrichtung (30) ein Korrelationsmodul (44) aufweist, wo bei das Korrelationsmodul (44) ausgebildet ist, die erfasste Betriebsgröße (42) mit mindestens einem kritischen Parameter (46) korreliert, wobei der Motor (24) anhand des kritischen Parameters (46) angesteuert wird.
2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der erfassten Betriebsgröße (42) um ein oder mehrere der folgenden Werte handelt: Einlassgastemperatur, Auslassgastemperatur, Einlasskühlmedi- umtemperatur, Auslasskühlmediumtemperatur, Drehgeschwindigkeit, Mo- torleistung, Kühlmediumflussrate, Vibration, Einlassdruck, Auslassdruck.
3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem kritischen Parameter (46) um den Abstand zwischen Rotor (16, 20) und Stator oder Gehäuse (12) oder einem weiteren Rotor (16, 20) handelt und/oder einer Lagertemperatur.
4. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, dass das Korrelationsmodul (44) die Betriebsgröße (42) und dem kri- tischen Parameter (46) mittels einer Regression und/oder eine Fuzzy-Logik und/oder einem Maschinellen-Lernen-Algorithmus miteinander korreliert.
5. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, dass das Korrelationsmodul (44) die Betriebsgröße (42) und dem kri- tischen Parameter (46) mittels einer Korrelationsfunktion miteinander kor- reliert.
6. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, dass das Korrelationsmodul (46) ein insbesondere rekursives neuro- nales Netzwerk aufweist und die Betriebsgröße (42) und dem kritischen Parameter (46) mittels des neuronalen Netzwerks miteinander korreliert.
7. Vakuumpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das neu- ronale Netzwerk trainiert wird, wobei zunächst mindestens ein Sensor für mindestens einen kritischen Parameter vorgesehen ist, wobei für das Trai- ning die erfasste Betriebsgröße (42) als Eingangswert verwendet wird und der kritische Parameter als Ausgangswert.
8. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich- net, dass kein Sensor für den kritischen Parameter vorgesehen ist.
9. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich- net, dass die Steuervorrichtung (30) ausgebildet ist bei Überschreiten des kritischen Parameters (46) eines vorgegebenen Grenzwerts (48) die Dreh- geschwindigkeit des Rotors (16, 20) reduziert wird.
10. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich- net, dass bei Unterschreiten des kritischen Parameters (46) eines vorge- gebenen Grenzwerts (48) die Drehgeschwindigkeit des Rotors (16, 20) er- höht wird.
11. Verfahren zum Betrieb einer Vakuumpumpe insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Schritten :
Messen mindestens einer Betriebsgröße der Vakuumpumpe;
Korrelieren der gemessenen Betriebsgröße mit mindestens einem kritischen Parameter der Vakuumpumpe;
Vergleichen des ermittelten kritischen Parameters mit einem vor- gegebenen Grenzwert;
Ansteuern eines Motors der Vakuumpumpe und insbesondere An- passung der Drehzahl in Abhängigkeit des erfolgten Vergleichs.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem ein Korrelationsmodul vorgese- hen ist, welches insbesondere ein neuronales Netzwerk aufweist, wobei das Korrelationsmodul und insbesondere das neuronale Netzwerk des Korrela- tionsmoduls trainiert werden mit den Schritten : a) Ermitteln der mindestens einen Betriebsgröße;
b) Korrelieren mit einem Wert für den mindestens einen kritischen Parameter;
c) Vergleichen des bestimmten Wertes des kritischen Parameters mit dem durch den im Training vorgesehenen Sensor gemessenen kriti- schen Parameter;
d) Bei fehlender Übereinstimmung oder einer zu großen Abwei- chung : Anpassen des Korrelationsmoduls und insbesondere des neuro- nalen Netzwerks und erneutes Ausführen der Schritte a) bis d); e) Bei Übereinstimmung oder eines unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegenden Abweichung : Beenden des Trainings;
f) Übertragung des so trainierten Korrelationsmoduls und insbe- sondere des neuronalen Netzwerks in Vakuumpumpen desselben Typs.
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