Produkte-Nachricht

Becker AG
Drehzahlgeregelte Schraubenspindelvakuumpumpen bieten
mehr Energieeffizienz

Trocken verdichtende Schraubenspindelvakuumpumpen werden seit über 20 Jahren in der chemischen und pharmazeutischen Verfahrenstechnik, in der Halbleiterproduktion sowie in anderen industriellen Prozessen eingesetzt. Gründe hierfür sind geringere Betriebskosten und geringere Produktionsausfallzeiten im Vergleich  zu  anderen  Pumpenlösungen. sind  die  luftgekühlten, trocken lau- fenden Schraubenvakuumpumpen darüber hinaus mit Direktantrieb und inte- griertem  Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung ausgestattet, wird zusätzlich eine  höhere Gesamteffizienz bei der Vakuumerzeugung im Grob- und Feinva- kuum  erreicht  und damit  der Forderung nach energieeffizienten Vakuumlösun- gen Rechnung getragen. In Verbindung mit einer hohen Betriebssicherheit gewährleisten diese Pumpen ausserdem eine hohe Anlagenverfügbarkeit.

Aufbau und Funktion der Schraubenspindelvakuumpumpe
Bei der Schraubenvakuumpumpe, die zu den zweiwelligen Rotationsver- drängermaschinen zählt,  drehen sich die schraubenförmig  ausgebildeten Roto- ren parallel ineinandergreifend in einem sich eng umschliessenden Gehäuse. Die Zahnlückenräume der „Schraubenrotoren“ bilden mit den sie umschliessenden Gehäusewänden einzelne Arbeitsraumvolumina. Bei Drehung der Rotoren kommt es zu der zyklischen Änderung des Arbeitsraumvolumens. Das zu fördernde Gas wird von der Einlassseite axial in Richtung Druckseite transportiert, verdichtet und schliesslich an der Auslassseite ausgeschoben. Werden Schraubenpumpen mit einem für den Einsatz als Verdichter ausgelegten Rotorprofil als Vakuumpumpe betrieben, so kann aus thermischen Gründen im Regelfall lediglich ein Enddruck von 100 - 200 mbar erreicht werden. Auf Grund der Vielzahl der Gewindegänge der „Schraubenrotoren“ einer Schrauben­spindelvakuumpumpe erfolgt eine mehrstufige Verdichtung, so dass sich je nach Auslegung der Rotorgeometrien höhere Vakua (< 0,1 mbar) erzielen lassen. Diese sind in der Regel auch höher als bei anderen (einstufigen) Verdrängervakuumpumpen wie z.B. ölgeschmierten Drehschieber- oder Drehkolbenvakuumpumpen.

Becker AG - Bild 1

Rotoren mit veränderlicher Steigung, die mittlerweile Stand der Technik sind, bewirken dabei eine innere Verdichtung. Diese senkt die erforderliche Ver- dichtungsarbeit und damit den Leistungsbedarf. Die innere Verdichtung kann dabei so ausgelegt werden, dass eine relativ gleichmässige Leistungsaufnahme über dem gesamten Unterdruckbereich, den die Pumpe zur Verfügung stellt, erreicht wird. Dies sorgt dafür, dass die installierte Motorleistung effektiv aus- genutzt werden kann. Die Ausführung einer luftgekühlten Schraubenspin- delvakuumpumpe mit durch ein Kühlmedium innengekühlten Rotoren bewirkt weitgehend konstante Spalthöhen im Arbeitsraum über den gesamten zur Ver- fügung stehenden Betriebsbereich der Pumpe, so dass der Enddruck auch bei häufigen Lastwechseln jeweils schnell, d.h. ohne Aufwärmphase, erreicht wird. Dadurch lässt sich vermeiden, dass sich stabile Ansaugdrücke erst bei Erreichen des thermischen Gleichgewichts einstellen, welches auf Grund der deutlich unterschiedlichen Gehäuse- und Rotortemperaturen beim Start der Pumpe oder nach Betriebspunktwechseln erst verzögert eintritt.

Der Betrieb bei Enddruck bzw. mit geschlossenem Sauganschluss stellt infolge der fehlenden Kühlung durch den geförderten Gasstrom grundsätzlich eine ther- misch hohe Belastung für Vakuumpumpen dar. Dennoch können Schraubenva- kuumpumpen durchgängig bei Enddruck betrieben werden. Wenn die Spalthöhen im Arbeitsraum der Pumpe an die Bauteildehnungen angepasst sind, kann eine kalte Pumpe auch mit geschlossenem Sauganschluss gestartet und auf maximale Drehzahl gebracht werden. Trotz hoher Drehzahlen muss die Schallemission einer Schraubenspindelvakuumpumpe nicht höher sein als die von Pumpenarten, die im unteren Drehzahlbereich betrieben werden. Bei entsprechender Auslegung der Pumpe kann der Einsatz einer Schallhaube das Geräuschniveau bei ange- schlossener Saug- und Abluftleitung unter einen Wert von 70 dB(A) senken.

Integrierter Frequenzumrichter und Schnittstellen
Bei einer Schraubenvakuumpumpe mit Direktantrieb ist der über den integrierten Frequenzumrichter an­gesteuerte Antriebsmotor auf einer Rotorwelle installiert. Der Frequenzumrichter passt über eine Dreh­zahlregelung das Saugvermögen einer Schraubenspindelvakuumpumpe bedarfsgerecht an den Verbrau­cher an. Damit entfällt der energetisch ungünstige Einsatz von Drossel- oder Bypass- einrichtungen. Der von der Anwendung geforderte Betriebspunkt kann durch die Drehzahlregelung mit einem höheren Wirkungsgrad erreicht werden. Für den An- wender reduzieren sich dadurch die Energiekosten. Ein oben auf der Schallhau- be der Vakuumpumpe integrierter Frequenzumrichter ist für den Bediener direkt an der Pumpe zugänglich. Alle kundenseitig vorzunehmenden elektrischen An- schlüsse lassen sich in einem neben dem Frequenzumrichter angeordneten Schaltkasten unterbringen. Ausser dem Vakuumanschluss und gegebenenfalls dem Abluftanschluss sind keine weiteren Installationsarbeiten erforderlich. Die Installation und Inbetriebnahme erfordern daher nur einen geringen Arbeits- und Zeitaufwand. Auf Grund des Frequenzumrichters kann die Pumpe für den Spannungsbereich 400/480V 50/60Hz in ei­ner Hardware-Variante ausgeführt werden.

Ein weiter Drehzahlregelbereich ermöglicht einen grossen Kennfeldbereich. Die- ser ist exemplarisch für eine Schraubenspindelvakuumpumpe (Abb. 2). Die Pumpe erreicht den Enddruck <0,1 mbar sowohl nach dem Start als auch nach einem Wechsel des Betriebspunktes in kurzer Zeit, d.h. ohne einen langen Warm- laufbetrieb. Schraubenspindelvakuumpumpen mit engen Betriebsspalthöhen im Arbeitsraum weisen auch bei reduzierter Drehzahl noch hohe Saugver- mögenswerte bei geringen Ansaugdrücken auf. Verglichen mit z.B. einer ölgeschmierten einstufigen Drehschieberpumpe erzielt die Schraubenspin- delvakuumpumpe im Bereich kleiner Ansaugdrücke ein deutlich grösseres Saugvermögen. Abb. 3 stellt beispielhaft die Volumenstromverläufe über dem Ansaugdruck für zwei Pumpen mit gleichem Nennsaugvermögen gegenüber.

Becker AG - Bild 2
Abbildung 2

Über eine elektronische Drehzahlregelung sind verschiedene Betriebsarten mög- lich:
• Drehzahlstellbetrieb mit Sollwertvorgabe über
   o Potentiometer des Frequenzumrichters oder 
   o Analogeingang (0-10 V oder 4-20 mA)

• Vakuumregelbetrieb mit einem Vakuumsensor mit Istwert über Analogeingang
   o (0-10 V oder 4-20 mA) und
   o Sollwertvorgabe über Potentiometer am FU oder Analogeingang (0-10 V
      oder 4-20 mA)

Neben der Drehzahl- bzw. Vakuumregelbarkeit ermöglicht ein integrierter Fre- quenzumrichter die Überwachung der Pumpe und eine Fehleranalyse. Er kann z.B. einen Temperatursensor auswerten und die Pumpe bei Überschreiten eines zugelassenen maximalen Wertes abschalten, um einem Geräteschaden vor- zubeugen. Dadurch kann indirekt geprüft werden, ob eine ausreichende Schmie- rung bzw. Kühlung vor liegt. Ein zu geringer Ölstand bzw. eine zu grosse Verschmutzung der Pumpe wird auf diese Weise recht­zeitig erkannt. Die Möglichkeit einer einfachen Einbindung in eine übergeordnete Maschinensteu- erung (z.B. Zentralanlage) und die Eigenüberwachung entsprechen dem Konzept einer „Automatisierung“ der Luftversorgung. Dazu zählen ebenso der Vakuum-Regelbetrieb durch Anschluss eines Vakuumsensors und die einfache Para- metrierung des Frequenzumrichters.

Anwendungsbeispiele mit praktischem Kundennutzen
In der betrieblichen Praxis kann die Vakuumpumpe sowohl als Einzelgerät zur Versorgung eines oder mehrerer Verbraucher eingesetzt werden. Zudem kann die Pumpe im Verbund mit typischerweise gleich­artigen Vakuumpumpen als Konzept einer Zentralanlage mit übergeordneter Steuerung Verwendung finden. Die im Folgenden dargestellten Anwendungen spiegeln typische Einsatzfälle und Be- triebsarten wider und stellen gleichzeitig wesentlichen Kundennutzen dar.

Zyklische Verpackungsprozesse, Zentralanlagen in der Verpackung
Die Zielsetzung vieler Verpackungsprozesse ist der Ausschluss von Luft, um das Produkt gegen Verderben, Korrosion, Zerfall oder Kontamination zu schützen. Der einfachste Ansatz dazu ist das möglichst vollständige Evakuieren der Verpackung. Auch in diesem Fall sind viele meist zyklisch eingesetzte ölgeschmierte Dreh- schiebervakuumpumpen im Einsatz. Aufgrund der beschriebenen Leistungscha- rakteristik kann eine Schraubenspindelvakuumpumpe bei gleichem nominalen Volumenstrom schneller und tiefer evakuieren. Durch die trockene Verdichtung stellen Schraubenspindelvakuumpumpen eine ideale Alternative zu ölgeschmier- ten Drehschiebervakuumpumpen in sogenannten Vakuumpumpständen (Booster) dar. In Kombination mit einem vorgeschalteten (ebenfalls trocken verdichtenden) Wälzkolbengebläse kann die ohnehin schon vorteilhafte Saugvermögenskurve der Schraubenspindelvakuumpumpe nochmals verbessert werden. Ursprünglich enthaltene Ölpartikel in der Abluft sind durch diese Kombination nicht mehr vorhanden. Zahlreiche praktische Anwendungen finden sich bei der Verpackung von Medikamenten und keimfreien Medizinprodukten oder Nahrungsmitteln. Beim Einsatz mehrerer Schraubenspindelvakuumpumpen im Rahmen einer zentrali- sierten Vakuumver­sorgung können diese von einer übergeordneten Steuerung bedarfs- und prozessorientiert geregelt sowie zu- und abgeschaltet werden. 

Vakuumthermoformen
Thermoformprozesse werden in vielen Fällen durch Vakuum unterstützt. Dieses sorgt für eine einwandfreie Ausprägung, Oberflächengüte und Kontur des Kunststoffes während der Formgebung. Meist wird jede Vakuumthermoform- maschine mit einem eigenen kostengünstigen Vakuumerzeuger geliefert, der einerseits den nötigen Volumenstrom, andererseits den notwendigen Unterdruck generieren muss. Es handelt sich in den meisten Fällen um ölgeschmierte Drehschiebervakuumpumpen, die für die Einzelanwendung eine kostengünstige Investition darstellen. Hersteller von Vakuumthermoformprodukten betreiben meist Fertigungslinien unterschiedlicher Art und Grösse. Die Betriebsbedingungen, unter denen die, meist in die Maschinen integrierten, Vakuumpumpen laufen, sind anspruchsvoll: Strahlungswärme, zyklischer Betrieb, Druckwellen durch die Vakuumpumpe und insbesondere die Bindung der bei der Erwärmung der Kunststoffe entstehenden Dämpfe durch Kondensation im Öl und Niederschlag auf den inneren Bauteilen der Vakuumpumpe. In vielen Fällen muss eine ölge- schmierte Drehschiebervakuumpumpe alle paar Monate einer zeit- und kostenaufwendigen Generalüberholung unterzogen werden. Mit steigender Anzahl von Pumpen im Betrieb bedeutet das die Bindung von technischem Personal, aber auch das erhöhte Risiko eines plötzlichen Produktionsausfalls. Die meisten Anwender beschaffen sich deshalb mehrere (mobile) Ersatzpumpen, die bei Bedarf schnell ausgewechselt werden können.

Becker AG - Bild 3
Abbildung 3

Eine Schraubenspindelvakuum­pumpe (der Baugröße 250 m³/h) kann bis zu fünf oder sechs ölgeschmierte Drehschiebervakuumpumpen der für diesen Einsatz typischen Baugröße 100 m³/h substituieren, indem das Einzelgerät die Vakuum- thermoformmaschinen zentral versorgt. Im Modus Vakuum-Regelbetrieb kann das benötigte Vakuum in der zentralen (Ring-) Versorgungsleitung so eingestellt wer- den, dass es selbst beim gleichzeitigen Öffnen mehrerer Formen (Verbraucher) nicht unter einen für den Maschinenbetrieb kritischen Wert sinkt. Die integrierte Drehzahlregelung hält einerseits das Vakuum im System konstant, optimiert andererseits die Leistungsaufnahme, teilweise < 4 kW, und sorgt für deutlich längere Serviceintervalle (bis zu einem Jahr). Schwerlastrollen ermöglichen neben der generellen Luftkühlung der Schraubenspindelvakuumpumpe eine schnelle Installation und Inbetriebnahme. Die Vakuumpumpe hält das zentrale Ver- sorgungssystem permanent unter Vakuum und passt sich dem Bedarf automatisch an. Die trockene Verdichtung lässt nur bedingt Dämpfe kondensieren, so dass eine Reinigung des Verdichters äusserst selten nötig ist. Standzeiten von mehr als zwei Jahren sind die Regel.

Entgasungsprozesse
Die spezielle Saugvermögenskurve und die hohe Wasserdampfverträglichkeit einer Schraubenspindel­vakuumpumpe bieten eine optimale Grundlage für industrielle Entgasungsprozesse sowohl bei Lebensmitteln (z.B. Teigwaren) als auch in technischen Produkten (z.B. Kunststoffe). Eine effektive Entgasung sorgt für homogene und damit qualitativ hochwertige Produkte während und am Ende eines Mischprozesses selbst über Verdampfungsphasen des Produktes hinaus. Ist eine Verdampfung prozesstechnisch zu vermeiden, kann ein Betriebspunkt oberhalb der spezifischen Dampfdruckkurve mit Hilfe des Vakuumregelbetriebes individuell vorgewählt und angefahren werden. Änderungen der einzuhaltenden Prozessdrücke sind somit jederzeit umsetzbar. Wird die Vakuumpumpe nicht benötigt, kann diese entweder auf Minimaldrehzahl während der Nebenzeit heruntergeregelt oder per Freigabesignal abgeschaltet werden.

Die Schraubenspindelvakuumpumpe rechnet sich
Die Schraubenspindelvakuumpumpe wird nicht nur einzelne Vakuumpumpen in Produktionsbetrieben ersetzen, wo die bisherigen Vakuumpumpen des Erst- ausrüsters in erster Linie die Investitionskosten nied­rig gehalten hat, sondern kann im Rahmen einer Zentralsystem-Lösung mehrere Verbraucher gleichzeitig ver- sorgen. Im Hinblick auf die sogenannten Total Cost of Operation (TCO) kann sich eine direkt angetriebene, luftgekühlte, drehzahlgeregelte Schraubenspindel- vakuumpumpe als vorteilhafte Lösung im Vergleich zu anderen Vakuumpum- pentypen erweisen.

Die Vorteile der trocken verdichtenden Schraubenspindelvakuumpumpen, nämlich ein gegenüber anderen Verdrängervakuumpumpen hohes Saugvermögen bei hohen Vakua, werden in Verbindung mit einem integrierten Frequenzumrichter mit elektronischer Drehzahlregelung um einen an den tatsächlichen Bedarf an- gepassten Betrieb erweitert. Damit können die Energiekosten im Vergleich zu nicht drehzahlgeregelten Vakuumpumpen deutlich gesenkt werden. Lange Wartungsintervalle bieten dem Anwender eine hohe Anlagenverfügbarkeit und senken die Servicekosten. Luftgekühlte Vakuumpumpen vereinfachen dabei gegenüber wassergekühlten Ausführungen die Installation und Inbetriebnahme. Ein schnelles Erreichen niedriger Enddruckwerte in Verbindung mit einer hohen Betriebssicherheit und die Möglichkeit zur Integration der Vakuumpumpe in die Maschinensteuerung mit vergleichsweise geringem Aufwand, bieten gegenüber bisher eingesetzten Schraubenvakuumpumpen weitere Vorteile.

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