Vakuumpumpe Vorliegende Erfindung betrifft eine Va kuumpumpe mit Drehkolben zur Erzeugung des Endvakuums. Unter den mechanisch för dernden Vakuumpumpen haben sich Drehkol- benpiimpen bzw. Drehschieberpumpen ganz besonders bewährt, weil sie gestatten, einen rotierenden Antrieb zu verwenden, während Pumpen mit hin und her gehenden Kolben bei motorischem Antrieb Pleuelstangen oder komplizierte Getriebe erfordern. Die üblichen Vakuumpumpen gestatten, mit einer Piunp- stufe ein Vakuum von etwa 10-2 mm 1-Ig her zustellen.
Bei zweistufiger Ausführung wer den Endvakuas bis 10-4 mm Hg erreicht. Bei den bisher gebräuchlichen Drehschieber- bzw. andern Drehkolbenpilmpen fiel die Saug geschwindigkeit meist schon lange vor Errei chen des Endvakuums sehr stark ab.
Zur Erziehmg noch höherer Vakuas wer den bekanntlich die mechanisch arbeitenden Vorvakuumpumpen mit Diffusionspumpen zusammengeschaltet, wobei darauf zu achten ist, dass jede Diffusionspiunpe zu ihrem Be trieb ein bestimmtes Vorvakuum benötigt, das von der Vorvakuumpumpe aufrechterhalten werden muss, weil andernfalls die Punnpwir- kung der Diffusionspumpe zusammenbricht.
Die erforderlichen Vorvakuas liegen bei etwa l0-1 mm Hg. Die Saugleistung der Diffu sionspumpen ist, solange der Druck in dem zu. evakuierenden Rezipienten noch nahe der obern Grenze ihres Arbeitsbereiches liegt, sehr stark vom Vorvakuumdruck abhängig, den die Vorpumpe erzielen kann.
Es stellt sich beim Pumpvorgang ein solcher Gleich- gewiehtsdruck ein, dass die gegen den Vor vakiumdruck von der hochvakuumseitigen Diffusionspumpe aus dem Rezipienten geför derten Gasmenge gerade gleich ist der Gas menge, die aus dem Vorvakuum durch die mechanische Vorvakuumpumpe oder Pumpen kombination entsprechend der Saugleistung bei diesem Gleichgewichtsdruck abgesaugt werden kann.
Je niedriger der Druck, den die mecha nische Vorpumpe aufrechtzuerhalten imstande ist, desto grösser ist gemäss der Saugleistungs charakteristik der Diffusionspumpen in Ab hängigkeit von der Vorvakuum-Saugleistung deren Arbeitsbereich, und desto besser kann die Leistungsfähigkeit der Diffusionspumpe ausgenützt werden. Es ist daher ein Bedarf ,in mechanisch fördernden Vorvakuumpum- pen vorhanden, die bei geringen Drucken grosse Sauggeschwindigkeiten aufweisen.
Einer Erhöhung der Sauggeschwindigkeit der bisher üblichen mechanischen Pumpen typen ist durch Reibung und Fliehkräfte eine Grenze gesetzt. Die Drehkolben- bzw. Dreh schieberpumpen mit Ölschmierung arbeiten derzeit mit Tourenzahlen bis etwa 1000 U/Min. Bei dieser Rotationsgeschwindigkeit ist bereits eine sorgfältige Auswuchtung der exzentrisch umlaufenden Drehkolben und eine gute Küh lung zur Abführung der erzeugten Reibungs wärme erforderlich.
Um gute Saugwirkungen zu erreichen, ist es darüber hinaus notwendig, d.ass die Spalte zwischen Drehkolben bzw. Schieber und Gehäuse so gering als möglich gehalten wird. Auch diese engen Toleranzen machen den Bau von noch grösseren und . schneller laufenden Pumpen bisher bekannter Typen mit Ölschmierung zu kostspielig.
Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist bereits vorgeschlagen worden, das bisher schon als Verdiehter, z. B. für Verbrennungs motoren, verwendete, schnell laufende Roots- gebläse als Vakuiunpumpe einzusetzen.
Solche Rootsgebläse besitzen zwei in einem Gehäuse umlaufende, ineinandergreifende, sich nicht direkt berührende, lemniskatenförmige Dreh kolben, welche durch ein Präzisionsgetriebe miteinander gekoppelt sind und die trocken laufen und deshalb mit sehr hohen Touren zahlen bsstrieben werden können. Diese nicht- rotationssymmetrischen Drehkolben können nicht auf einfache Weise auf üblichen Dreh bänken hergestellt werden,
sondern erfordern den Einsatz von Abwälzfräsverfahren oder Kopierfräsverfahren.
Ausserdem ist, wie schon erwähnt, der Ein satz von Präzisionsgetrieben höchster Touren zahlen erforderlich, um die Bewegung der ineinandergreifenden, lemniskatenförmigen Zwillingskolben, die in jedem Augenblick die Abdichtung des Ansaugraumes der Pumpe gegen den Kompressionsraum gewährleisten müssen; zu steuern. Das Rootsgebläse lässt sich als Vakuumpiunpe nicht gegen Atmosphären druck verwenden, sondern erfordert zu seinem Betrieb eine vorgeschaltete weitere Vakuum, piunpe bisheriger Konstruktion.
Schliesslich bedingen die Zwillingskolben des Rootsgeblä- ses eine komplizierte, nichtrotationssymme- trische Gehäuseform. Alle diese vorgenannten Faktoren ergeben hohe Herstellungskosten, weshalb sich dieses Gebläse in der Vakuum technik bisher nicht durchsetzen konnte. Vorliegende Erfindung hat sich zur Auf gabe gestellt, eine mechanisch fördernde Piunp.e zu schaffen, die die vorhin genannten Schwierigkeiten des Rootsgebläses vermeidet.
Diese Pumpe weist einen kreisrunden Dreh- kolben auf, der mit der kreiszylindrischen Innenfläche eines hohlzylindrischen Gehäuses zusammenarbeitet, so dass diese beiden Teile der Pumpe leicht mit höchster Präzision auf gewöhnlichen Drehbänken hergestellt werden können. Da bei dieser Pumpe keine Zwillings kolben Verwendung finden, istein Präzisions-_ getriebe zum synchronen Antrieb -zweier Kol ben nicht erforderlich.
Die Verwendung eines kreisrunden Kolbens ermöglicht zusammen mit einer geeignet ausgestalteten Dichtungs klappe, welche den Ansaugraum und den l.Compressionsrauun der Pumpe trennt, \ die weitestgehende Vermeidung jeglichen toten Raumes, wodurch die Drehkolbenpumpe zur Erzeugung höchster Vakuas und zum Arbei ten gegen Atmosphärendruck geeignet wird.
Sie wird vorzugsweise ohne reibende Dich tungsmittel zwischen Kolben und den Wän den des Pumpgehäuses betrieben, so dass@dank der Vermeidung zu grosser Reibungswärme höchste Tourenzahlen möglich sind, ohne die Nachteile des Rootsgebläses in Kauf nehmen zu müssen.
Die erfindtuigsgemässe Vakuumpumpe, die ein hohlzylindrisches Gehäuse mit kreisrun dem Innenraum besitzt, in welchem ein kreis runder Drehkolben exzentrisch tunläuft, der das gewünschte Endvakuum erzeugt und wäh rend des Umlaufes ständig längs einer Mantel linie die kreiszylindrische Innenseite des Ge häuses nahezu berührt, kennzeiehnet sich da durch, dass zur Unterteilung des vom zylindri schen Gehäuse und vom Drehkolben bestimm ten Pumpenraumes in wenigstens einen An saugraum und einen Kompressionsraunn eine in eine Ausnehmung des zylindrischen Ge häuses versenkbare,
drehbar gelagerte Dich tungsklappe vorgesehen ist, welche sich wäh rend des Umlaufes des Drehkolbens stets nahezu an diesen anlegt.
Ein Beispiel der erfindungsgemässen Va kuumpumpe wird an Hand der beigefügten Figurennäher erläutert.
Fig.1a stellt einen Schnitt senkrecht zur Drehachse der Pumpe dar und zeigt die prin zipielle Arbeitsweise. Fig.1b zeigt dieselbe Pampe wie Fig.1a, jedoch in einer andern Bewegungsphase des 1'umpvorganges.
Fig. 2 stellt einen Längsschnitt durch die Pumpe nach der Linie II-II der Fig. 1b dar. Fig. 3 zeigt in perspektivischer Darstel; lang die Anordnung der Pleuelstange, welche den exzentrisch rotierenden Drehkolben der Pumpe mit der Dichtungsklappe koppelt und dadurch ihre Bewegung steuert.
In Fig. 1 bedeutet 1 ein dickwandiges, kreisrundes, hohlzylindrisches Pumpgehäuse. In diesem Gehäuse wird ein kreiszylindrischer Pumpendrehkolben 2 mittels einer Antriebs welle 3 in exzentrische Rotation versetzt. Die in bezug auf die Achse des Kolbens exzentri sche Antriebsdrehachse ist mit 3' bezeichnet, die geometrische Achse des Pumpenkolbens mit 4.
Der Innendurchmesser des Pumpgehäu- ses einerseits, der Durchmesser. des zylindri schen Drehkolbens anderseits und der die Ex zentrizität bestimmende Abstand zwischen den Achsen 3' und 4 sind so bemessen, dass der Pumpenkolben und die Innenseite des Pump gehäuses während der Rotation stets entlang einer Zylindermantellinie einen engen Dich tungsspalt bilden. Dieser Spalt dichtet wäh rend des Umlaufes Ansaug- und Kompres sionsraum der Pumpe gegeneinander ab.
Die zweite zur Bildung von getrennten Pump kammern, nämlich wenigstens einer Ansaug kammer 6 und einer Kompressionskammer 7 erforderliche Abdichtungsstelle wird durch eine bewegliche Dichtungsklappe 5 gebildet. Das abzupumpende Gas wird über eine mit Flanschen versehene Leitung 11 zugeführt und tritt durch denn Boden der Dichtungs klappe hindurch in den Ansaugraum der Pumpe ein, was durch Pfeile in Fig. la an gedeutet ist. Das im Kompressionsraum 7 der Pumpe befindliche Gas wird dagegen durch einen Kanal 13 des Gehäuses 1 ausgestossen und gelangt durch einen Rohrstutzen 14 in das Vorvaluium oder in die freie Atmosphäre.
Im Falle, dass der Ausstoss direkt gegen Atmosphärendruck erfolgt, ist es zweckmässig, ein Ausstossventil 8 vorzusehen, das sich im iner erst dann öffnet, wenn in der Kompres- sionskammer 7 Atmosphärendruck _ erreicht wird. Das Ventil 8 kann etwa durch ein leich tes Federblatt, das mittels einer Schraube 9 am Gehäuse festgehalten ist, gebildet werden. Die Anordnung eines solchen Ventils 8 bringt den Vorteil, dass der -Druck in der Kömpres- sionskammer nur während eines kurzen Au genblicks, in dem gerade der Gasausstoss er folgt, auf Atmosphärendruck sich befindet, und dass daher die Abdichtungsstellen zwi schen Ansaugraum und Kompressionsraum auch nur während dieser kurzen Zeitspanne gegenüber dem vollen Atmosphärendruck ab dichten müssen.
Die Druckverhältnisse in der Kompressionskammer und damit zugleich die Riickströmverluste während des Saugvorgan ges werden durch die Grösse des Totraumes, der im wesentlichen durch den Ausstosskanal. 13 gegeben ist, bestimmt. Letzere sind um so grösser, je höher der Druckunterschied zwi schen Ansaugseite und Kompressionsseite der Pumpe ist und je länger dieser die Rück- strömverlusteverursachende Druckunterschied auf die Dichtiulgsspalte einwirkt.
Die Rück- st.römverluste wirken sich auch auf den über haupt erreichbaren Kompressionsfaktor aus und bestimmen damit den bei einem gegebenen Vorvakuumdruck erreichbaren hochv akiium- seitigen Druck.
Die Dichtungsklappe 5 ist mittels einer Welle 15 drehbar angeordnet. Die Welle 15 liegt in einer schlitzförmigen, achsenparallelen Ausnehmung 15' des Pumpengehäuses. Der Bewegungsmechanismus der Dichtungsklappe wird an Hand der Fig. 3 weiter unten genauer erläutert.
Bei der Stellung der Fig.la, die das Ansaugen des abzupumpenden Gases durch die Leitung 11 und das gleichzeitige Komprimieren des im Kompressionsraum 7 eingeschlossenen Gases zeigt, tritt die Dich tungsklappe 5, die in einen achsenparallelen Schlitz 12 des Pumpengehäuses zurückwei- ehen kann, teilweise aus dem Schlitz 12 her aus und schmiegt sich an den rotierenden Kolben 2 unter Bildung einer Abdichtungs stelle 16 an.
Eine weitere Abdichtungsstelle wird zwischen dem aufgebogenen Endteil der Klappe 5 und der druckseitigen Begrenzungs- fläche des Schlitzes 12 des Pumpgehäuses bei 16' gebildet. Hiedurch wird verhindert, dass während des Ansaughubes der Pumpe Gas vom Kompressionsraum 7 in den Ansaug stutzen 11 übertritt.
Die Steuerung der Dichtungsklappe er folgt mittels einer Pleuelstange 41 (in Fig.1 gestrichelt eingetragen), welche die geometri sche Achse 4 des Pumpendrehkolbens mit der Krümmimgsmittelpunktachse 10 der abgerun deten Dichtungskante starr verbindet, so dass der Abstand zwischen den beiden genannten Achsen in jedem Augenblick des Kolben umlaufes gleich bleibt, derart, dass die Dich tungskante in jedem Augenblick mit dem Drehkolben wenigstens längs einer Zylinder, mantellinie einen engen Dichtungsspalt bildet,
ohne dass sich Dichtungsklappe und Drehkol ben ummittelbar berühren können. Während bei den bisher bekannten Vakuumpumpen die Abdichtung stets durch Dichtungsmittel, die die engen Spalte zwischen den Dichtungsflä chen schliessen, etwa mittels Ölschmierung vorgenommen wurde, läuft die gezeigte Pumpe vorzugsweise ohne Schmier- oder andere flüs sige Dichtungsmittel, so dass die Entstehung ,ran Reibangswärme weitestgehend vermieden wird.
Die Pleuelstange greift an seitlich ausser halb des Gehäuses an der Verlängerung der Achse 10 angebrachten Wellenzapfen (in Fig.1 als gestrichelter Kreis ersichtlich) der Dichtungsklappe an lind bewegt diese im Rhythmus der Kolbenrotation hin und her. Mit ihrem andern Ende ist die Pleuelstange 41 mit einem ausserhalb des Gehäuses an der Welle 3 in der Verlängerung der Achse 4 angebrachten Zapfen 43 (in Fig. 1 durch einen gestrichelten Kreis um die Achse 4 herum angedeutet) verbunden, so dass ein fester Abstand zwischen den beiden Achsen 4 und 10 sich ergibt.
Weiters ist aus Fig.1 ein Keil 18' zu er sehen, welcher dazu dient, bei der Montage den exzentrisch umlaufenden Drehkolben 2 auf die Welle 3 aufzukeilen. 17, 18, 19, 20 und 21. bezeichnen die Bolzen, welche dazu dienen, die Gehäuse-Endplatten 30-31, welche gleich- zeitig als Lagerschalen fungieren, festzuhal ten. 22 und 23 stellen Flansche dar, mit Hilfe deren die Rohrstücke 11 bzw. 14 an das Ge häuse der Pumpe aufgeflanscht sind.
In Fig. 2, die einen Schnitt nach der Linie 11-II der Fig. 1b darstellt, zeigt weitere Ein zelheiten der erfindungsgemässen Vakuum pumpe. Die schon vorhin beschriebenen Teile sind auch aus Fig.2 ersichtlich. Das ring zylindrische Pumpgehäuse 1 wird durch die beiden Endplatten 30 und 31. zu beiden Sei ten abgeschlossen. Im Gehäuse 1 wird der zylindrische Drehkolben 2 durch die Welle 3 in exzentrische Rotation versetzt. Der Antrieb der Welle 3 erfolgt durch einen Motor ausser halb der Pumpe.
Die Fig. 2 zeigt gerade die Kolbenstellung der Fig.1b. Der Schnittlinie der Fig.1b folgend, ist daher in Fig.2 der Schnitt 25 durch den Pumpenraum ersichtlich, weiters die Schnittfläche 26 durch das Pump gehäuse bis zum Schlitz für die Welle 15 der Dichtungsklappe 5.
Die Schnittflächen der auf die Welle 15 aufgepressten Dichtungs klappe sind in Fig. 2 mit 27 bezeichnet. Ent sprechend der durch Pfeile angedeuteten An sicht des Schnittes nach der Schnittlinie II-II der Fig.1b zeigt Fig.2 weiters die Öffnung 28 des Rohres 11 und den Durchschnitt durch den Flansch 23 und die Ansicht des Ansaug stutzens 11. mit Planschplatte 29'.
Die Endplatten 30 und 31 tragen Kugel lager 32 und 33 für die Welle 3 und die Ring dichtZmg 40. Die Kugellager werden durch Spannringe 32' bzw. 33' auf der Welle 3 im Lagergehäuse festgehalten. Die ringförmige Abschlussplatte 39 mit Ringdichtung 38 dient zur Abdichtung des Lagers 32.
Welle 15 wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich, von Kugellagern 34 und 35 geführt, die in Ausnehmungen der Endplatten 30 und 31 un tergebracht sind. Das Kugellager 34 wird durch eine auf die Gehäuseendplatte 30 auf geflanschte Platte 36 mit zylindrischem Fort satz 37 im Lagergehäuse festgehalten und ab gedichtet.
Die Welle 15 ist mit Dichtungsklappe 5 starr verbunden. In Fig. 3 ist die Dichtungs klappe 5 mit Welle 15 und Pleuelstange 41. vergrössert dargestellt. Die Dichtungsklappe besitzt die Form einer Schachtel mit Öffnung 47 im Boden. Derjenige .Teil der Klappe, der die dichtende Kante 44 bildet, wird v an Sei denwänden 48 getragen, die mit der Welle 15 starr verbunden sind.
Bei der fertigmontier ten Vakuumpumpe liegt die Welle 15 in der achsenparallelen, schlitzförmigen Ausneh- m.ung 15' des Pumpgehäuses, während der freie, mit der dichtenden Kante versehene Teil der Dichtungsklappe sich in einer zwei ten schlitzförmigen, achsenparallelen Ausneh- mung 12 des Pumpgehäuses befindet und dort hin und her bewegt wird.
Zwischen den beiden Ausnehmungen 12 -und 15' des Gehäuses bleibt der Teil 1' der Gehäusewand stehen, der zwi schen die beiden tragenden Seitenwände 48 der Dichtungsklappe ragt.
Wie schon oben ausgeführt, muss der An griffspunkt der Pleuelstange 41 in der Achse 10 liegen. Da die Achse 10 die Krümmimgs- mittelpimktsachse der gekrümmten Dich tungskante 44 darstellt und anderseits die .Achse 4, mit der die Pleuelstange an ihrem andern Ende verbunden ist, die geometrische Achse des Drehkolbens 2 bildet, ist der Ab stand während des Pumpvorganges stets gleich der Summe aus Kolbenradius + Krüm- m.ungsradius der Dichtungskante + Spiel.
Zur Einstellung des Abstandes zwischen den Dichtungsflächen kann die Pleuelstange sogar in ihrer Länge veränderlich ausgebildet wer den.
Damit der Angriffspunkt der Pleuelstange 41 stets in der Verlängerung der Achse 10 liegt, ist ausserhalb des eigentlichen Pump gehäuses mit der Welle 15 ein Arm 49 starr v erblinden. An der Stelle 50 des Armes 49, die von der gestrichelt gezeichneten Achse 10 durchstossen wird, ist die Pleuelstange 41 gelenkig verbunden. Das andere Ende 46 der Pleuelstange ist mit dem Wellenzapfen 43 (Fig.2) ebenfalls gelenkig mittels eines Ku gellagers 42 verbunden.
Damit bei eventuell hohen Drucken des komprimierten Gases im Totraum der Aus stossseite der Pumpe das durch den Dich tungsspalt hindurchdrückende Gas die Dich- tungskläppe nicht nach oben abbiegt oder sie bei sehr hohen Tourenzahlen durch Flieh kräfte abgebogen wird, wird ihre Bewegung nach aussen zweckmässigerweise durch einen Anschlag begrenzt. Dies kann auf eifache l.NTeise durch geeignete Formung des Flansches 23 geschehen, wie aus Fig.1b hervorgeht.
Fig. 2 zeigt die Pleuelstange 41 teilweise im Schnitt,. teilweise in Ansicht. Das, obere Ende 51 der Pleuelstange ist auch in Fig.2 ersichtlich, ebenso der Arm 49, der die Welle 15 antreibt.
Ein geschlossener Gehäusedeckel 52, der an die Endplatte 31 dicht anschliesst, tun- gibt den. Antriebsmechanismus 41, 42, 43, 49 und 51.
Die Vorteile der erläuterten erfindungs gemässen Vakuumpumpe gegenüber Vakuum pumpenbisheriger Konstruktion ersieht man insbesondere aus einer genauen Betrachtung der Fig.1b. Fig. 1b zeigt gerade den Augen blick des Vorbeiganges des Drehkolbens an dem kurzen Stück der Gehäusewand, das zwi schen Ansaugseite und Ausstossseite der Pumpe liegt. Einen Augenblick vorher wurde gerade der Ausstoss des Gases durch die Öff- nung'13 beendet, und einen Augenblick nach-. her wird der neue Ansaughub beginnen.
Es ist ersichtlich, dass praktisch der tote Raum unter dem Ausstossventil sehr klein gehalten werden kann. Der tote Raum auf der Ausstossseite wird durch jenes Volumen gebildet, das in dem Augenblick, wo die Gasausstossöffnung 13 verschlossen wird und der Ausstosshub be endet ist, abgesperrt wird. Das in diesem toten Raum befindliche Gas bewirkt beim nachfol genden Kompressionshub einen Druckanstieg im Kompressionsraum.
Dieser schädliche Tot- rauin ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Pumpe direkt gegen Atmosphären druck arbeiten soll, weil das vom schädlichen Totraum der Ausstossseite ziun Totraum der Ansaugseite im Moment des Erreichens des obern Totpunktes überströmende Gas schon zu Beginn eines jeden Ansaughubes.auf der An saugseite einen bestimmten Gasdruck bewirkt.
Der schädliche tote Raum auf der Ausstoss seite ist bei der erläuterten- erfiriditngsgemä,-. ssen Piunpe äusserst gering. Er wird durch den engen Spalt entlang der Innenwand des Pumpgehäuses zwischen - der Ausstossöffnung i3 und der Dichtungsklappe 5 und den Raum unter dem Ausstossventil 8 gebildet und ist also praktisch zu vernachlässigen.
Bei Vakuumpumpen ist aber nach dem oben Dargelegten auch der Totraum auf der Ansaugseite der Pumpe zu beachten. Dieser. Totraum wird bekanntlich durch dasjenige gaserfüllte Volumen in der Ansaugkammer der Pumpe gebildet, das schon zu Beginn eines jeden Ansaughubes unerwünschterweise dort vorhanden ist und das verhindert, dass jeder Ansaughub gewissermassen mit einem absoluten Torricellischen Vakuum begonnen werden kann.
Dieser tote Raum hat die unan genehme Folge, das Endvakuum zu begren zen bzw. den Pumpvorgang vor Erreichen des Endvakuums empfindlich zu verlangsamen, indem, wie gerade erwähnt, das von der Druckseite ausströmende Gas diesen Totraum erfüllt und einen zusätzlichen Gasballast zu dem abzupiunpenden Gas darstellt.
Auch die ser Totraum ist bei der erläuterten erfin dungsgemässen Pumpe nur ein schmaler Spalt, also äusserst gering, wie die Betrachtung der Fig.1b unter Beachtung der Bewegungsrich- tung des Kolbens ergibt.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Dichtungsklappe 5 bei der bestimmten Stellung des Drehkolbens, bei der der Ansaughub beginnt, längs eines Mantel- flächenstückes - der Zylinderoberfläche des Drehkolbens sich eng an diesen anschmiegt, so dass ein entsprechend langer, enger und flächenförmiger Dichtungsspalt entsteht.
Weil die toten Räume bei der erläuterten erfin dungsgemässen Vakuumpumpe äusserst gering sind, ergibt sich auch beim Arbeiten gegen Atmosphärendruck ein günstiges Kompres sionsverhältnis, das heisst ein niedriges End- vakuum und entsprechend hohe Saugleistung bei niedrigen Drucken.
Der erwähnte lange, flächenförmige Dich tungsspalt ergibt ein hohes Kompressionsver hältnis, da nur wenig Gas von der Druck seite auf die Saugseite der Pumpe ziu-ückströ- men kann. Selbst wenn direkt gegen Atmo- sphärendruck gepumpt wird, besteht in der Kompressionskammer der Atmosphärendruck, renn ein Ausstossventil 8 vorgesehen ist, nur einen kurzen Augenblick lang, so dass das druckabhängige Rückströmen von Gas aus der Kompressionskammer durch die Dichtungs spalte in die Ansaugseite der Pumpe sehr gering ist.
Um eine hohe Förderleistung und ein gutes Kompressionsverhältnis zu erreichen, ist es zweckmässig, die Pumpe mit möglichst hoher Tourenzahl laufen zu lassen. Bei einem Modell der erläuterten erfindungsgemässen Pumpe wurden Tourenzahlen von 3000 bis 7.0 000 U/Min. verwendet. Um so hohe Touren zahlen zu ermöglichen, ist es zweckmässig, die beweglichen Teile, nämlich den Kolben und die Dichtungsklappe, aus leichten Baumateria lien, vorzugsweise aus Aluminium, Titan oder Kunststoffen, anzufertigen. Um den exzen trisch laufenden Pumpenkolben auszuwuch ten, können; wie es aueh sonst beim Gebläse bau mit exzentrisch rotierenden Kolben üblich ist, Schwermetallstäbe, z.
B. Wolframstäbe, in Bohrungen des massiven Kolbens eingelegt werden, oder es kann der Drehkolben als Hohl körper mit entsprechender Masseverteilung ausgebildet werden. Die Kastenform der Dich- tilngsklappe gestattet, diese aus dünnem. Blech oder sogar aus Kunststoffen anzuferti gen. Zur Verstärkung können ausser den in Fig. 3 dargestellten Seitenwänden 48 noch weitere Querrippen vorgesehen sein.
Beim Betrieb wird die im Seitengehäuse 52 und in den Lagergehäusen der Kugellager eingeschlossene Luft durch die Lager hin durch abgesaugt, so dass Kugellager und Ge= triebe unter Vorvakuum arbeiten. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, das Seiten gehäuse 52 und die Lagergehäuse durch ge eignete Bohrungen mit der Vorvakuumseite der Pumpe zu verbinden, so dass sich beim Beginn des Pumpens der Gleichgewichts zustand schneller einstellt.
Gemäss den Figuren und gemäss der obi gen Beschreibung liegen die Kennzeichen der beispielsweise angeführten Konstruktion einer erfindungsgemässen Vakuumpumpe darin, dass die Dichtungsklappe bzw. ihr freier Endteil in einem Längsschlitz des zylindrischen Pump gehäuses um eine der Zylinderachse parallele Achse drehbar angeordnet ist, und dass die drehbar gelagerte Dichtungsklappe bei Vor übergang des Drehkolbens vollständig in den Schlitz des Zylindergehäuses zurückweichen kann, wobei die Diehtungsfläche der Dich tungsklappe sich der zylindrischen Innenseite des Pumpgehäuses angleicht.
Beim Ansaugen erfolgt die Zufuhr des abzupumpenden Gases durch denselben Schlitz in der Wand des Pumpgehäuses, in dem auch die drehbare Dichtungsklappe eingebaut ist. Die Dich tungsfläche der Dichtumgsklap.pe ist vorzugs weise so ausgebildet, dass die Zufuhr des abzu pumpenden Gases bei Vorübergang des Dreh kolbens an dem Dichtungsklappenschlitz des Pumpgehäuses nicht nur durch den vorbei laufenden.
Kolben, sondern durch die Dich tungsklappe selbst abgesperrt wird. Ausser der Diehtungsfläche, welche sich an den Dreh kolben bei Vorübergang an diesen anschmiegt, besitzt die Dichtungsklappe noch eine weitere Dichtungsfläche, welche mit derjenigen Wand des Dichtungsklappenschlitzes, die der Druck seite der Pumpe zu gelegen ist, einen engen, flächenförmig sich erstreckenden Dichtungs spalt bildet, derart, dass das abzupumpende Glas daran gehindert wird, von der Druckseite der Pumpe in den Saugstutzen zurückzuströ men.
Speziell weist die Dichtungsklappe eine Dichtungskante mit kreiszylindrischer Krüm- inung auf, und die Krümmungsmittelpinkts- aehse der Dichtungskante ist mit der zentra len Längsachse des zylindrischen Drehkolbens ausserhalb der Puunpkammer durch eine Pleuelstange derart starr verbunden, dass der .Abstand zwischen beiden Achsen während der Drehbewegung des Pumpkolbens unverändert beibehalten wird.
Es ist ohne Änderung der bestehenden Konstruktion möglich, die Pumpe auch mit Ölschmierung laufen zu lassen. Man erhält durch diese Massnahme infolge der geringeren Leckverhiste ein besseres Verdichtungsver hältnis, aber natürlich auch eine grössere Rei bungswärme.
Es ist aber möglich, zwei ver- schieden grosse Pumpen gemeinsam zu betrei ben, wobei eine grössere, ohne flüssiges Dich- tungsmittel zwischen Drehkolben und Innen seite des Pumpgehäuses als Gebläse laufende Pumpe mit einer kleineren, mit einem Dich tungsmittel arbeitenden, umlaufenden Pumpe auf einer gemeinsamen Welle zusammen arbeitet, wobei die grössere, als Gebläse arbeitende Pumpe vakuumseitig liegt, wäh rend die kleinere,
mit Dichtungsmittel ar beitende Pumpe atmosphärenseitig liegt und die Grösse der Einzelpumpen und die für beide Pumpen gleiche Tourenzahl so bemessen werden,
dass bei der für die mit Dichtungs mittel laufenden kleineren Pumpe infolge Rei bungswärme gerade optimal zulässigen Tou- renzahl die Pumpgeschwindigkeit der Nieder druckpumpe mit der Pumpgesehwindigkeit der atmosphärenseitigen Pumpe korrespondiert. Man erhält hiedurch auf kleinem Raum eine zweistufige hochleistungsfähige Väkiiumpiunpe mit hoher Förderleistung und besonders gutem Endvakuum. Eine .erfindungsgemässe Pumpe dieser Bauart kann bei einer Bauhöhe von nur 20 cm
und bei Tourenzahlen von 3-10 000 U/Min. Sauggeschwindigkeiten von 20 bis 50 m3/h bei einem Endvakuum .von besser als 10-2 mm I-Ig erreichen. Für den Betrieb einer solchen Pumpe kommt man mit wesentlich geringeren Motorenleistungen aus, als für bis her übliche Pumpen gleicher Leistung erfor derlich waren.
Ziu Erreichung noch tieferer Vakuas kann auch eine drei- oder mehrstufige Bauart mit in der Grösse abgestuften Förderräumen verwendet- werden.
Die Betriebstemperatur der atmosphären- seitigen Pumpe wird zweckmässigerweise ver hältnismässig hoch gewählt, um die Kondensa tion von Dämpfen in der Pumpe zu verhin dern. "Bei einer Betriebstemperatur von über 100 C kann reiner Wasserdampf gegen Atmo sphärendruck abgepumpt werden, ohne dass die Gefahr einer Kondensation im Innern der Pumpe besteht. Da die dichtenden Flächen der Innenseite des Pumpgehäuses, des Kol bens und der Dichtungsklappe sich gegensei tig nicht berühren, brauchen die etwa verwen- deten flüssigen Dichtungsmittel keine Schmier eigenschaften aufzuweisen.
Dies gestattet, ge gen hohe Temperaturen beständige und einen niedrigen Dampfdruck aufweisende Dich tungsflüssigkeiten, z. B. Silikone, anzuwenden.
Man kann also die atmosphärenseitige Pumpe mit höchsten Tourenzahlen, wie sie für das auf der gleichen Welle sitzende, ohne Dichtungsmittel betriebene Gebläse verwen det werden, laufen lassen, wobei die infolge Verwendung eines Dichtungsmittels in der atmosphärenseitigen Stufe entstehende Rei bungswärme nicht nur kein Nachteil ist, son dern, wie schon erwähnt, die Kondensation Fron Dämpfen vorteilhafterweise verhindert. Infolge der hohen Tourenzahlen bekommt man somit höchste Förderleistungen auf kleinstem Raum.
Beim Absaugen grösserer Dampfmengen mit mehrstufigen Vakuumpumpen gemäss Er findung kann es auch zweckmässig sein, zwi schen die einzelnen Pumpstufen Kondensato ren zur Kondensation der abgesaugten Dämpfe vorzusehen, um die jeweils nachfolgende Stufe weitestgehend zu entlasten.
Da für PLunpenkolben und PLunpen- gehäuse erfindungsgemäss ausschliesslich rota- tionssymmetrische (kreisrunde) Teile erfor derlich sind, können diese mit grösster Prä zision unter Einhaltung sehr enger Toleran zen hergestellt werden.
Dadurch ist es wie derum möglich, eine gute gegenseitige Abdich tung des Kompressionsraumes der Pumpe ge genüber dem AnsaugraLun sicherzustellen, ohne dass die beweglichen Teile aneinander reiben,' wodurch die Pumpe für Vakuum bereiche auch mit höheren Drucken verwendet werden kann: Die erfindungsgemässe Vakuum pumpe hat mannigfaltige Anwendungsmög lichkeiten.
Immer, wenn man die- Saugleistung einer Diffusionspumpe voll ausnützen möchte, braucht man eine leistungsfähige Vorvakuum- pumpe. Für grössere Anlagen, etwa für Va- kuumschmelz- und -giessanlagen sind mecha- nische Vakiiumpuuupen bisher üblicher Bau art bei entsprechender Leistungsfähigkeit sehr kostspielig.
Hier stellt eine entsprechend ausgebildete erfindungsgemässe Vakuumptustpe mit hoher Sauggeschwindigkeit eine geeignete Lösung dar. Insbesondere eine zweistufige Pumpen kombination, wie sie im vorhergehenden be schrieben wurde, ist sehr geeignet, da sie di rekt gegen die Atmosphäre arbeiten kann.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist dann gegeben, wenn bei einem VakuLunverfah- ren ein Druck von 10-i bis 10-3 mm Hg bei gleichzeitiger grosser Saugleistung benötigt wird. In diesem Falle kann bei Verwendung einer entsprechenden erfindungsgemässen Pumpe auf eine Diffusionspumpe ganz ver zichtet werden.
Wenn es bei einer Vakuumanlage darauf ankommt, izi raschem Wechsel die Pumpe an- und abzustellen und daher die langen Anheiz- zeitenfür grössereDiffusionspumpenvermieden werden sollen, dann bietet eine entsprechend ausgebildete erfindungsgemässe Pumpe maxi male Betriebsbereitschaft.
Dieser Fall ist ins- besondere bei Elektronenmikroskopen und sonstigen elektronischen Vakuumgeräten der Fall, wo Belüftung und Entlüftung zwischen den einzelnen Bildaufnahmen und dem Ob jektwechsel rasch aufeinanderfolgen. In elek tronischen Vakuumgeräten ist es überdies sehr oft wichtig, auch geringste Spuren von Öl- dämpfen, die aus öldiffusionspiunpen stam men können, peinlichst zu vermeiden. Auch hier stellt sich ein entsprechend ausgebildetes erfindungsgemässes Vakuumgebläse als beson ders geeignete Lösung dar.
Bei diesen An lagen spielt nicht nur die Saugleistung im Druckbereich zwischen 10-i bis 10-3 Torr, sondern auch die Zeit, die zur Evakuierung der _ Anlage bei jedem Arbeitszyklas vom Atmosphärendruck bis zum Arbeitsvakuum aufgewendet werden muss, eine wesentliche Rolle.
Da die dabei erforderlichen Vakuum behälter heute bereits Voluminas in der Grö ssenordnung von 10 bis 100 m3 besitzen, wer den Vorpumpen mit sehr hoher Saugleistung benötigt, die in ihrer Ausbildung als Kolben- oder Ölrotationspumpen nur mit geringer Hub- bzw. Rotationsgeschwindigkeit gebaut werden können. Der Schöpfraum solcher Pum pen muss dementsprechend gross gewählt wer- den, wodurch diese Pumpen in ihrer Anschaf fung sehr kostspielig sind.
Dadurch, dass es mit einer entsprechenden erfindungsgemässen Pumpe nun möglich ist, mit hoher Drehzahl auch gegen Atmosphärendruck zu arbeiten, ergeben sich viel kleinere Abmessungen und geringere Herstellungskosten auch bei dieser Aufgabenstellung. Es wurde daher ein ent scheidender Schritt 'zur Lösung auch dieser Aufgabe beigetragen, indem erstmals ein Weg gezeigt wird, wie eine Pumpe mit hoher Dreh zahl für hohe Saugleistungen für diesen Ar beitsbereich hergestellt werden kann.
Bei zweistufigen Ausführungen der erfin dungsgemässen Vakuumpiunpe, wie sie oben beschrieben wurde, ist es zweckmässig, im Überströmkanal zwischen den beiden Pumpen. ein mit der freien Atmosphäre in Verbindung stehendes Überdruckventil vorzusehen, um eine Kompression über Atmosphärendruck hinaus im Überströmkanal während der An fangsphase des Evakuierungsvorganges, wäh rend der von der vakuumseitigen Pumpe noch grössere Luftmengen aus dem Rezipienten ge fördert werden, zu vermeiden.
Weiters kann et zweckmässig sein, bei zweistufigen Piunpen- anordnimgen nicht nur die direkt gegen den Atmosphärendruck arbeitende kleinere Pumpe mit einem Ausstossventil zti versehen, wie es in den Fig. la und 1b durch 8 gezeigt ist, Song lern auch die vakuumseitige Gebläsestufe. Ein solches Ausstossventil der vakuumseitigen Pumpe kann analog wie das Ausstossventil 8 der atmosphärenseitigen Stufe so gesteuert werden,
dass die Verbindung zwischen Über- strömkanal und Kompressionskammer der va- kuumseitigen Pumpe nur während eines kur zen Augenblickes, der zum Überströmen des durch den Kompressionshub komprimierten Gases genügt, geöffnet ist, während dieses Ventil während derjenigen Phasen des Pump vorganges geschlossen bleibt, während deren im Überströmkanal ein höherer Druck als un ter dem Ausstossventil der vakuumseitigen Pumpe zustande kommt, das heisst,
solange der Kompressionshub nicht genügend verdichtet hat und während des auf den Ausstoss des Gases folgenden Ansaughubes. Die Steuerung des Ausstossventils der vakuumseitigen PLUnpe kann ähnlich, @ wie schon für die einstufige Pumpe oben beschrieben, entweder durch den Druck zu beiden Seiten des Ventils selbst er folgen, indem etwa das Ventil als leichtes federndes Blatt ausgeführt wird,
oder sie kann auch zwangläufig durch mechanische Kupp- lang mit dem Antriebsmechanismus der Pumpe erfolgen. Wird auch die vakuumseitige Pumpe mit einem solchen Ausstossventil ver sehen, dann ergibt sich eine weitere Verbes serung des Endvakuums mindestens um den Faktor 2-4, da durch die Ventilwirkung die Zeiten, während derer höhere Gasdrücke auf die Dichtungsspalte zwischen Ansaugraiuu lind Kompressionsraum der vakuumseitigen Pumpe wirken können, wesentlich verkürzt werden.
.
Bei Pumpen, die zur Erreichung eines be sonders tiefen Endvakuluns bestimmt sind, kann es anderseits wieder zweckmässig sein, das Ausstossventil zwischen hochvaku.,imseiti- ger Pumpätufe und überströmkanal zur nach- i:olgenden Stufe nach Erreichen eines be stimmten Unterdruckes dauernd geöffnet zu halten, um die Strömungswiderstände für das abzupumpende Gas, die bei sehr niedrigen Drucken besonders gross werden, möglichst ge ring zu halten.
Sind beim Pumpvorgang ein mal so niedrige Drucke erreicht, dass die mitt lere freie Weglänge bedeutend grösser ist als. die Abstände von Wand zu Wand innerhalb der Räume, in denen das Gas strömt, dann ist wegen des nunmehr sehr hohen Strömungs widerstandes die Gefahr des Überströmens von Gas über die Dichtungsspalte sehr ver mindert, so dass es keinen Nachteil mehr bringt, wenn nach Erreichen solcher niedri ger Drucke das Ausstossventil der hoch- vakuumseitigen Pumpe ausser Betrieb gesetzt wird.
Es ist daher zweckmässig, eine Vorrich tung vorzusehen, welche bewirkt, dass das Ausstossventil der hoehvakuumseitigen Pumpe nach Erreichen eines bestimmten Unterdruk- kes im Rezipienten zwecks Minderung des Strömungswiderstandes dauernd geöffnet bleibt. Diese Vorrichtung kann durch mecha nische Kopplung mit einem Druckmessinstrü- meist auf bekannte Art gesteuert sein oder gegebenenfalls von Hand aus betätigt werden.
Vacuum pump The present invention relates to a vacuum pump with rotary lobes for generating the ultimate vacuum. Rotary piston pumps or rotary vane pumps have particularly proven themselves among the mechanically conveying vacuum pumps because they allow a rotating drive to be used, while pumps with reciprocating pistons with a motor drive require connecting rods or complicated gears. The usual vacuum pumps allow a vacuum of about 10-2 mm 1-Ig to be created with a pinp stage.
In the two-stage version, the ultimate vacuum of up to 10-4 mm Hg is achieved. In the case of the rotary valve or other rotary piston pillows commonly used up to now, the suction speed usually fell very sharply long before the ultimate vacuum was reached.
In order to achieve even higher vacuums, it is well known that the mechanically working backing pumps are interconnected with diffusion pumps, whereby it must be ensured that each diffusion pump requires a certain backing vacuum to operate, which must be maintained by the backing pump, otherwise the pumping effect of the diffusion pump collapses.
The required forevacuas are around 10-1 mm Hg. The suction capacity of the diffusion pumps is as long as the pressure is too. evacuating recipients is still close to the upper limit of their working range, very much dependent on the backing pressure that the backing pump can achieve.
During the pumping process, such an equilibrium pressure is established that the amount of gas conveyed from the recipient by the high vacuum side diffusion pump against the pre-vacuum pressure is exactly the same as the amount of gas that is extracted from the pre-vacuum by the mechanical pre-vacuum pump or pump combination according to the suction power this equilibrium pressure can be sucked off.
The lower the pressure that the mechanical backing pump is able to maintain, the greater the working range of the diffusion pumps, depending on the fore-vacuum suction power, and the better the performance of the diffusion pump can be used. There is therefore a need in mechanically conveying backing pumps which have high suction speeds at low pressures.
A limit is set by friction and centrifugal forces to increase the suction speed of the previously common mechanical pump types. The rotary lobe pumps or rotary vane pumps with oil lubrication currently work at speeds of up to around 1000 rpm. At this speed of rotation, careful balancing of the eccentrically rotating pistons and good cooling is required to dissipate the generated frictional heat.
In order to achieve good suction, it is also necessary that the gap between the rotary piston or slide and the housing is kept as small as possible. Even these tight tolerances make the construction of even larger ones. faster running pumps of previously known types with oil lubrication too expensive.
To overcome these difficulties, it has already been proposed that the previously considered Verdiehter, z. B. for internal combustion engines, used, fast-running Roots blower to use as a vacuum pump.
Such Roots blowers have two rotating in a housing, interlocking, not directly touching, lemniscate-shaped rotary pistons, which are coupled to one another by a precision gear and which run dry and can therefore be driven at very high speeds. These non-rotationally symmetrical rotary lobes cannot be produced in a simple manner on conventional lathes,
but require the use of hobbing processes or copy milling processes.
In addition, as already mentioned, the use of high-speed precision gears is required to ensure the movement of the interlocking, lemniscate-shaped twin pistons, which must ensure that the suction chamber of the pump is sealed against the compression chamber at all times; to control. The Roots blower cannot be used as a vacuum pump against atmospheric pressure, but requires a further upstream vacuum, a pump of the previous design, to operate.
Finally, the twin pistons of the Roots blower require a complicated, non-rotationally symmetrical housing shape. All of these aforementioned factors result in high manufacturing costs, which is why this blower has not yet been able to establish itself in vacuum technology. The present invention has set itself the task of creating a mechanically promoting Piunp.e that avoids the aforementioned difficulties of the Roots blower.
This pump has a circular rotary piston which works together with the circular cylindrical inner surface of a hollow cylindrical housing, so that these two parts of the pump can easily be manufactured with the highest precision on conventional lathes. Since no twin pistons are used in this pump, a precision gear for synchronous drive of two pistons is not required.
The use of a circular piston, together with a suitably designed sealing flap, which separates the suction chamber and the first compression area of the pump, enables the greatest possible avoidance of any dead space, making the rotary lobe pump suitable for generating the highest vacuum and for working against atmospheric pressure.
It is preferably operated without rubbing sealing means between the piston and the walls of the pump housing, so that, thanks to the avoidance of excessive frictional heat, the highest number of revolutions are possible without having to accept the disadvantages of the Roots blower.
The vacuum pump according to the invention, which has a hollow cylindrical housing with a circular interior, in which a circular rotary piston runs eccentrically, which generates the desired final vacuum and during the cycle constantly almost touches the circular cylindrical inside of the housing along a jacket line, is characterized there by the fact that to subdivide the pump chamber determined by the cylindrical housing and the rotary piston into at least one intake chamber and one compression chamber, a housing that can be lowered into a recess in the cylindrical housing,
rotatably mounted you device flap is provided, which rend the rotation of the rotary piston almost always applies to this.
An example of the vacuum pump according to the invention is explained in more detail with reference to the attached figures.
Fig.1a represents a section perpendicular to the axis of rotation of the pump and shows the principle of operation. Fig.1b shows the same pomp as Fig.1a, but in a different movement phase of the pumping process.
FIG. 2 shows a longitudinal section through the pump along the line II-II of FIG. 1b. FIG. 3 shows a perspective view; long the arrangement of the connecting rod, which couples the eccentrically rotating rotary piston of the pump with the sealing flap and thereby controls its movement.
In Fig. 1, 1 denotes a thick-walled, circular, hollow-cylindrical pump housing. In this housing, a circular cylindrical pump rotary piston 2 is set in eccentric rotation by means of a drive shaft 3. The drive axis of rotation eccentric with respect to the axis of the piston is denoted by 3 ', the geometrical axis of the pump piston by 4.
The inside diameter of the pump housing on the one hand, the diameter. of the cylindri's rotary piston on the other hand and the distance between the axes 3 'and 4, which determines the eccentricity, are dimensioned so that the pump piston and the inside of the pump housing always form a narrow gap along a cylinder surface line during rotation. This gap seals the intake and compression chamber of the pump from one another during circulation.
The second sealing point required to form separate pumping chambers, namely at least one suction chamber 6 and one compression chamber 7, is formed by a movable sealing flap 5. The gas to be pumped is supplied via a flanged line 11 and passes through the bottom of the sealing flap into the suction chamber of the pump, which is indicated by arrows in Fig. La. The gas in the compression chamber 7 of the pump, on the other hand, is expelled through a channel 13 of the housing 1 and passes through a pipe socket 14 into the pre-valium or into the open atmosphere.
In the event that the discharge takes place directly against atmospheric pressure, it is expedient to provide an discharge valve 8 which only opens internally when atmospheric pressure is reached in the compression chamber 7. The valve 8 can be formed by a light spring leaf, which is held by means of a screw 9 on the housing. The arrangement of such a valve 8 has the advantage that the pressure in the compression chamber is only at atmospheric pressure for a brief moment in which the gas is being ejected, and that the sealing points between the suction chamber and the compression chamber are too only have to seal against full atmospheric pressure during this short period of time.
The pressure conditions in the compression chamber and thus at the same time the backflow losses during the suction process are determined by the size of the dead space, which is essentially created by the discharge channel. 13 is given, determined. The latter are greater, the higher the pressure difference between the suction side and the compression side of the pump and the longer this pressure difference, which causes the return flow losses, acts on the sealing gap.
The backflow losses also have an effect on the compression factor that can actually be achieved and thus determine the high vacuum pressure that can be achieved at a given fore-vacuum pressure.
The sealing flap 5 is rotatably arranged by means of a shaft 15. The shaft 15 lies in a slot-shaped, axially parallel recess 15 'of the pump housing. The movement mechanism of the sealing flap is explained in more detail below with reference to FIG. 3.
In the position of Fig.la, which shows the suction of the gas to be pumped through the line 11 and the simultaneous compression of the gas enclosed in the compression chamber 7, the sealing flap 5, which can return into an axially parallel slot 12 of the pump housing, occurs partially out of the slot 12 and hugs the rotating piston 2 to form a sealing point 16.
A further sealing point is formed between the bent-up end part of the flap 5 and the pressure-side boundary surface of the slot 12 of the pump housing at 16 '. This prevents gas from passing from the compression chamber 7 into the suction nozzle 11 during the suction stroke of the pump.
The control of the sealing flap he follows by means of a connecting rod 41 (shown in dashed lines in Figure 1), which rigidly connects the geometrical axis 4 of the pump rotary piston with the Krümmimgsmittelpunktachse 10 of the rounded sealing edge, so that the distance between the two axes mentioned at any moment the circumference of the piston remains the same, in such a way that the sealing edge forms a narrow sealing gap with the rotary piston at least along a cylinder surface line at every moment,
without the sealing flap and rotary piston being able to directly touch each other. While in the previously known vacuum pumps the seal was always made by sealing means that close the narrow gaps between the Dichtungsflä chen, for example by means of oil lubrication, the pump shown preferably runs without lubricants or other liquid sealants, so that the development of friction heat largely is avoided.
The connecting rod engages laterally outside half of the housing on the extension of the axis 10 attached shaft journals (shown in Fig. 1 as a dashed circle) of the sealing flap and moves it back and forth in the rhythm of the piston rotation. At its other end, the connecting rod 41 is connected to a pin 43 (indicated in Fig. 1 by a dashed circle around the axis 4) mounted outside the housing on the shaft 3 in the extension of the axis 4, so that a fixed distance between the two axes 4 and 10 results.
Furthermore, a wedge 18 'can be seen from FIG. 1, which is used to wedge the eccentrically rotating rotary piston 2 onto the shaft 3 during assembly. 17, 18, 19, 20 and 21 denote the bolts which are used to hold the housing end plates 30-31, which also function as bearing shells. 22 and 23 represent flanges with the aid of which the pipe sections 11 or 14 are flanged to the housing of the pump.
In Fig. 2, which is a section along the line 11-II of Fig. 1b, shows further details A of the vacuum pump according to the invention. The parts already described above can also be seen from FIG. The ring cylindrical pump housing 1 is completed by the two end plates 30 and 31 on both Be th. In the housing 1, the cylindrical rotary piston 2 is set in eccentric rotation by the shaft 3. The shaft 3 is driven by a motor outside the pump.
Fig. 2 shows the piston position of Fig.1b. Following the section line in FIG. 1 b, the section 25 through the pump chamber can therefore be seen in FIG. 2, furthermore the cut surface 26 through the pump housing up to the slot for the shaft 15 of the sealing flap 5.
The cut surfaces of the sealing flap pressed onto the shaft 15 are denoted by 27 in FIG. In accordance with the view of the section along the section line II-II of Fig.1b indicated by arrows, Fig.2 further shows the opening 28 of the pipe 11 and the intersection through the flange 23 and the view of the suction nozzle 11. with paddling plate 29 ' .
The end plates 30 and 31 carry ball bearings 32 and 33 for the shaft 3 and the ring seal 40. The ball bearings are held on the shaft 3 in the bearing housing by clamping rings 32 'and 33', respectively. The annular end plate 39 with an annular seal 38 serves to seal the bearing 32.
Shaft 15 is, as can be seen from Fig. 2, guided by ball bearings 34 and 35 which are housed in recesses in the end plates 30 and 31 un. The ball bearing 34 is held by a on the housing end plate 30 on flanged plate 36 with a cylindrical extension 37 in the bearing housing and sealed off.
The shaft 15 is rigidly connected to the sealing flap 5. In Fig. 3, the sealing flap 5 with shaft 15 and connecting rod 41 is shown enlarged. The sealing flap has the shape of a box with an opening 47 in the bottom. That .Part of the flap that forms the sealing edge 44, v is worn on the walls 48 which are rigidly connected to the shaft 15.
In the fully assembled vacuum pump, the shaft 15 lies in the axially parallel, slot-shaped recess 15 'of the pump housing, while the free part of the sealing flap provided with the sealing edge is located in a second slot-shaped, axially parallel recess 12 of the pump housing and is moved back and forth there.
Between the two recesses 12 and 15 'of the housing, part 1' of the housing wall remains, which protrudes between the two supporting side walls 48 of the sealing flap.
As already stated above, the point of attack of the connecting rod 41 must be in the axis 10. Since the axis 10 represents the center of curvature of the curved sealing edge 44 and, on the other hand, the axis 4, with which the connecting rod is connected at its other end, forms the geometric axis of the rotary piston 2, the distance is always the same during the pumping process Sum of the piston radius + the radius of curvature of the sealing edge + play.
To adjust the distance between the sealing surfaces, the connecting rod can even be designed to be variable in length.
So that the point of application of the connecting rod 41 is always in the extension of the axis 10, an arm 49 is rigidly blind with the shaft 15 outside the actual pump housing. At the point 50 of the arm 49, which is pierced by the dashed line 10, the connecting rod 41 is articulated. The other end 46 of the connecting rod is also articulated to the shaft journal 43 (FIG. 2) by means of a ball bearing 42.
So that if the compressed gas is at high pressures in the dead space on the discharge side of the pump, the gas pushing through the sealing gap does not bend the sealing flap upwards or it is bent by centrifugal forces at very high speeds, its outward movement is expediently controlled by a Limited stop. This can be done simply by suitably shaping the flange 23, as can be seen from FIG.
Fig. 2 shows the connecting rod 41 partially in section. partly in view. The upper end 51 of the connecting rod can also be seen in FIG. 2, as is the arm 49 which drives the shaft 15.
A closed housing cover 52, which tightly adjoins the end plate 31, does the. Drive mechanism 41, 42, 43, 49 and 51.
The advantages of the explained fiction, according to vacuum pump compared to vacuum pump previous construction can be seen in particular from a close examination of Fig.1b. Fig. 1b shows the moment of passing the rotary piston on the short piece of the housing wall, which is between the suction side and discharge side of the pump. A moment before the expulsion of the gas through the opening 13 was just ended, and a moment after. the new suction stroke will begin.
It can be seen that practically the dead space under the discharge valve can be kept very small. The dead space on the discharge side is formed by that volume which is blocked off at the moment when the gas discharge opening 13 is closed and the discharge stroke is ended. The gas in this dead space causes a pressure increase in the compression chamber during the subsequent compression stroke.
This harmful dead space is particularly important when the pump is to work directly against atmospheric pressure, because the gas overflowing from the harmful dead space on the discharge side to the dead space on the suction side when the top dead center is reached is already at the beginning of each intake stroke Causes a certain gas pressure on the suction side.
The harmful dead space on the discharge side is in the case of the explained - empirical procedure -. ssen Piunpe extremely low. It is formed by the narrow gap along the inner wall of the pump housing between the discharge opening i3 and the sealing flap 5 and the space under the discharge valve 8 and is therefore practically negligible.
In the case of vacuum pumps, however, the dead space on the suction side of the pump must also be taken into account as described above. This. As is well known, dead space is formed by that gas-filled volume in the suction chamber of the pump that is undesirably present there at the beginning of each suction stroke and that prevents each suction stroke from being started with an absolute Torricellian vacuum.
This dead space has the uncomfortable consequence of limiting the ultimate vacuum or slowing down the pumping process before reaching the ultimate vacuum by, as just mentioned, the gas flowing out of the pressure side fills this dead space and represents an additional gas ballast to the gas to be pumped off .
This dead space is also only a narrow gap in the explained pump according to the invention, that is to say extremely small, as can be seen from a consideration of FIG. 1b, taking into account the direction of movement of the piston.
This is achieved in that the sealing flap 5, in the particular position of the rotary piston, at which the intake stroke begins, lies along a surface piece of the cylinder surface of the rotary piston, so that a correspondingly long, narrow and flat sealing gap is created.
Because the dead spaces in the explained vacuum pump according to the invention are extremely small, there is also a favorable compression ratio when working against atmospheric pressure, that is to say a low final vacuum and correspondingly high suction power at low pressures.
The aforementioned long, flat sealing gap results in a high compression ratio, since only a small amount of gas can flow back from the pressure side to the suction side of the pump. Even when pumping directly against atmospheric pressure, if an exhaust valve 8 is provided, the atmospheric pressure in the compression chamber only exists for a short moment, so that the pressure-dependent backflow of gas from the compression chamber through the sealing gap into the suction side of the pump is very high is low.
In order to achieve a high delivery rate and a good compression ratio, it is advisable to let the pump run with the highest possible number of revolutions. In a model of the explained pump according to the invention, speeds of 3000 to 7.0,000 rpm were. used. In order to make such high tours possible, it is advisable to manufacture the moving parts, namely the piston and the sealing flap, from lightweight construction materials, preferably from aluminum, titanium or plastics. In order to balance the eccentrically running pump piston, you can; as it is otherwise customary in the blower construction with eccentric rotating pistons, heavy metal rods, z.
B. tungsten rods are inserted into bores of the massive piston, or the rotary piston can be designed as a hollow body with a corresponding mass distribution. The box shape of the sealing flap allows it to be made of thin. Sheet metal or even from plastics anzuferti conditions. For reinforcement, in addition to the side walls 48 shown in FIG.
During operation, the air trapped in the side housing 52 and in the bearing housings of the ball bearings is sucked off through the bearings, so that the ball bearings and gear units work under a forevacuum. But it is of course also possible to connect the side housing 52 and the bearing housing through suitable bores with the fore-vacuum side of the pump, so that the equilibrium is reached more quickly at the start of pumping.
According to the figures and according to the description above, the characteristics of the example cited construction of a vacuum pump according to the invention are that the sealing flap or its free end part is rotatably arranged in a longitudinal slot of the cylindrical pump housing around an axis parallel to the cylinder axis, and that the bearing sealing flap can completely recede into the slot of the cylinder housing in front of the transition of the rotary piston, with the diehtungsfläche of the sealing flap aligns with the cylindrical inside of the pump housing.
During suction, the gas to be pumped is supplied through the same slot in the wall of the pump housing in which the rotating sealing flap is installed. The sealing surface of the Dichtumgsklap.pe is preferably designed so that the supply of the gas to be pumped when the rotary piston passes the sealing flap slot of the pump housing not only through the passing.
Piston, but is shut off by the sealing flap itself. In addition to the sealing surface, which clings to the rotary piston as it passes through it, the sealing flap has another sealing surface which forms a narrow, two-dimensional sealing gap with the wall of the sealing flap slot that is located on the pressure side of the pump , in such a way that the glass to be pumped is prevented from flowing back into the suction nozzle from the pressure side of the pump.
Specifically, the sealing flap has a sealing edge with a circular cylindrical curvature, and the center of curvature pin axis of the sealing edge is rigidly connected to the central longitudinal axis of the cylindrical rotary piston outside the pump chamber by a connecting rod in such a way that the distance between the two axes during the rotary movement of the Pump piston is retained unchanged.
It is possible to run the pump with oil lubrication without changing the existing construction. Due to the lower leakage rate, this measure results in a better compression ratio, but of course also a greater heat of friction.
However, it is possible to operate two pumps of different sizes together, with a larger pump running as a fan without a liquid sealant between the rotary piston and the inside of the pump housing with a smaller circulating pump operating with a sealant on one common shaft works together, with the larger, working as a blower pump on the vacuum side, while the smaller,
The pump working with sealant is on the atmosphere side and the size of the individual pumps and the number of revolutions for both pumps are dimensioned so that
that with the pump speed of the low-pressure pump that corresponds to the pump speed of the pump on the atmosphere side, with the smaller pump running with sealant, the optimal number of revolutions due to frictional heat. This gives a two-stage, high-performance vacuum pump with a high delivery rate and a particularly good ultimate vacuum in a small space. A pump according to the invention of this type can with a height of only 20 cm
and at speeds of 3-10,000 rpm. Suction speeds of 20 to 50 m3 / h with an ultimate vacuum of better than 10-2 mm I-Ig. For the operation of such a pump you can get by with much lower motor power than were necessary for pumps of the same power conventional up to now.
In order to achieve even deeper vacuas, a three- or multi-stage design with conveying chambers of different sizes can be used.
The operating temperature of the pump on the atmosphere side is expediently selected to be relatively high in order to prevent the condensation of vapors in the pump. "At an operating temperature of over 100 C, pure water vapor can be pumped out against atmospheric pressure without the risk of condensation inside the pump. Since the sealing surfaces on the inside of the pump housing, the piston and the sealing flap do not touch each other, The liquid sealants used do not need to have any lubricating properties.
This allows ge against high temperatures resistant and low vapor pressure having up processing liquids such. B. Silicones apply.
So you can run the atmosphere-side pump with the highest number of revolutions, as they are used for the fan seated on the same shaft, operated without sealant, the frictional heat resulting from the use of a sealant in the atmosphere-side stage is not only not a disadvantage, Instead, as already mentioned, condensation in front of vapors is advantageously prevented. As a result of the high number of tours, you get the highest delivery rates in the smallest space.
When extracting larger amounts of steam with multi-stage vacuum pumps according to the invention, it can also be useful to provide capacitors between the individual pump stages to condense the extracted vapors in order to largely relieve the respective subsequent stage.
Since, according to the invention, exclusively rotationally symmetrical (circular) parts are required for PLunpen pistons and PLunpen housings, these can be manufactured with the greatest possible precision while maintaining very tight tolerances.
This in turn makes it possible to ensure good mutual sealing of the compression chamber of the pump against the suction surface without the moving parts rubbing against each other, which means that the pump can also be used for vacuum areas with higher pressures: The vacuum pump according to the invention has manifold application possibilities.
Whenever you want to take full advantage of the suction power of a diffusion pump, you need a powerful backing pump. For larger systems, for example for vacuum melting and casting systems, mechanical vacuum pumps of the conventional design with the corresponding performance are very expensive.
A correspondingly designed vacuum tube according to the invention with high suction speed represents a suitable solution. In particular, a two-stage pump combination as described above is very suitable because it can work directly against the atmosphere.
Another possible application is when a vacuum process requires a pressure of 10-1 to 10-3 mm Hg with a simultaneous high suction power. In this case, a diffusion pump can be dispensed with entirely when using a corresponding pump according to the invention.
If in a vacuum system it is important to switch the pump on and off quickly and therefore avoid the long heating times for larger diffusion pumps, then a correspondingly designed pump according to the invention offers maximum operational readiness.
This is the case in particular with electron microscopes and other electronic vacuum devices, where ventilation and venting between the individual image recordings and the object change quickly follow one another. In electronic vacuum devices, it is also very often important to painstakingly avoid even the slightest traces of oil vapors that can come from oil diffusion pins. Here, too, a correspondingly designed vacuum blower according to the invention is a particularly suitable solution.
In these systems, not only the suction power in the pressure range between 10-i to 10-3 Torr, but also the time that has to be expended to evacuate the system in each work cycle from atmospheric pressure to working vacuum, plays an important role.
Since the vacuum tanks required for this already have volumes in the order of magnitude of 10 to 100 m3, whoever needs backing pumps with a very high suction capacity, which in their design as piston or oil rotary pumps can only be built with low lifting or rotating speeds. The pumping chamber of such pumps must be selected to be correspondingly large, which means that these pumps are very expensive to purchase.
The fact that it is now possible with a corresponding pump according to the invention to work at high speed even against atmospheric pressure results in much smaller dimensions and lower production costs, even with this task. It was therefore a decisive step 'contributed to the solution of this problem by showing for the first time a way how a pump with high speed for high suction capacities for this work area can be produced.
In the case of two-stage versions of the vacuum pump according to the invention, as described above, it is expedient in the overflow channel between the two pumps. To provide a pressure relief valve connected to the free atmosphere in order to avoid compression above atmospheric pressure in the overflow channel during the initial phase of the evacuation process, while the vacuum-side pump promotes even larger amounts of air from the recipient.
Furthermore, it can be useful for two-stage pin arrangements not only to provide the smaller pump, which works directly against atmospheric pressure, with an exhaust valve, as shown by 8 in FIGS. La and 1b, but also learn the vacuum-side blower stage. Such an exhaust valve of the vacuum-side pump can be controlled analogously to the exhaust valve 8 of the atmospheric-side stage,
that the connection between the overflow channel and the compression chamber of the vacuum-side pump is only open for a brief moment, which is sufficient for the gas compressed by the compression stroke to flow over, while this valve remains closed during those phases of the pumping process during which the The pressure in the overflow channel is higher than that under the discharge valve of the vacuum-side pump, i.e.
as long as the compression stroke has not compressed enough and during the intake stroke following the discharge of the gas. The control of the exhaust valve of the vacuum-side PLUnpe can be carried out similarly, @ as already described for the single-stage pump above, either through the pressure on both sides of the valve itself, in that the valve is designed as a light springy leaf,
or it can also take place inevitably by mechanical coupling with the drive mechanism of the pump. If the vacuum-side pump is also provided with such an exhaust valve, then there is a further improvement in the final vacuum by at least a factor of 2-4, since the valve effect reduces the times during which higher gas pressures are applied to the sealing gaps between the intake and the compression chamber of the vacuum-side pump can work can be shortened significantly.
.
In the case of pumps that are intended to achieve a particularly deep final vacuum, on the other hand, it may again be useful to keep the discharge valve open continuously between the high vacuum, internal pump stage and overflow channel to the next stage after a certain negative pressure has been reached in order to keep the flow resistances for the gas to be pumped, which are particularly high at very low pressures, as low as possible.
Are the pressures reached during the pumping process so low that the mean free path is significantly greater than. the distances from wall to wall within the rooms in which the gas flows, then because of the now very high flow resistance, the risk of gas overflowing the sealing gap is very reduced, so that it is no longer a disadvantage if after reaching such lower pressures the discharge valve of the high vacuum side pump is put out of operation.
It is therefore advisable to provide a device which has the effect that the discharge valve of the pump on the high vacuum side remains open permanently after a certain negative pressure has been reached in the recipient in order to reduce the flow resistance. This device can usually be controlled in a known manner by mechanical coupling with a pressure measuring instrument or, if necessary, can be operated manually.