DE102016110273A1

DE102016110273A1 - Vakuum Pumpensystem mit Leichtgas Pumpen und einer Leckage Detektion Vorrichtung, aufweisend dieselbe

Info

Publication number: DE102016110273A1
Application number: DE102016110273.3A
Authority: DE
Inventors: John Calhoun; Ronald J. Forni; Kevin Flynn
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2016-12-15
Also published as: GB2543599B; US10094381B2; US20160356273A1; GB2543599A; GB201609566D0

Abstract

Ein Grob Vakuum Pumpensystem weist eine Primärvakuumpumpe und eine Sekundärvakuumpumpe auf. Die Primärvakuumpumpe ist eine ölfreie Verdrängerpumpe und hat eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung, eine Verdichtungsstufe zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen, und einen Zwischengasdurchgang, der an einen Gasflusspfad verbunden ist, welcher durch die Verdichtungsstufe hindurch verläuft. Die Sekundärvakuumpumpe ist an den Zwischengasdurchgang der Primärvakuumpumpe verbunden. Das Verdichtungsverhältnis der Primär- und Sekundärvakuumpumpen, welche in Kombination betrieben sind, ist größer als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Primärvakuumpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche individuell betrieben sind. Eine Vakuumvorrichtung weist einen Spurengasdetektor auf, welcher an einen Einlass der Primärvakuumpumpe verbunden ist.

Description

Hintergrund
Repräsentative Ausführungsbeispiele sind auf Vakuum Pumpensysteme zum Evakuieren geschlossener Kammern von Vorrichtungen oder Einrichtungen gerichtet, wie zum Beispiel Bearbeitungskammern. Repräsentative Ausführungsbeispiele sind auch auf eine Leckage Detektion Vorrichtung gerichtet, welche Vakuum Pumpensysteme umfasst.
Es gibt viele verschiedene industrielle Anwendungen, in denen Gase von niedrigem Molekulargewicht, z. B. Helium oder Wasserstoff, in eine hinein oder von einer geschlossenen Kammer gepumpt werden müssen. Ein Beispiel einer derartigen Anwendung ist Gaschromatographie, in der Helium oder Wasserstoff, welches als ein Trägergas für ein Probeanalyt verwendet wird, in ein Massenspektrometer hinein gepumpt wird. Eine weitere Anwendung ist eine Leckage Detektion, in der ein Gas von niedrigem Molekulargewicht in der Umgebungsatmosphäre um eine Kammer, welche auf Leckagen (Testobjekt) getestet werden soll, herum bereitgestellt ist, und Gas in der Kammer von der Kammer und in einen Leckage Detektion Sensor hinein gepumpt wird, welcher geeignet ist das Gas von niedrigem Molekulargewicht zu erkennen. In diesen Arten von Anwendungen wird ein Vakuum Pumpensystem verwendet, ein Vakuum zu kreieren, welches Gas von einer geschlossenen Kammer saugt und/oder Gas in eine geschlossene Kammer hinein führt. Eine Art von Pumpe, die in Vakuum Pumpensystemen zum Pumpen von Gasen verwendet wird, welche diejenigen von niedrigem Molekulargewicht umfassen, ist eine Scrollvakuumpumpe („scroll vacuum pump”).
Eine Scrollpumpe umfasst einen stationären Plattenscroll („plate scroll”), welcher ein spiralförmiges stationäres Scrollblatt („scroll blade”) hat, einen umlaufenden Plattenscroll, welcher ein spiralförmiges umlaufendes Scrollblatt hat, und einen exzentrischen Antriebsmechanismus, an den der umlaufende Plattenscroll gekoppelt ist. Die stationären und umlaufenden Scrollblätter sind mit einem radialen lichten Abstand und einer vorherbestimmte relativen Winkelpositionierung verschachtelt, so dass eine Folge von Taschen („pockets”), welche eine Verdichtungsstufe der Pumpe ausbilden, gleichzeitig definiert sind mittels und zwischen den Blättern. Der umlaufende Plattenscroll und somit das umlaufende Scrollblatt wird mittels des exzentrischen Antriebsmechanismuses angetrieben, um relativ zu dem stationären Plattenscroll um eine Longitudinalachse der Pumpe umzulaufen, welche durch die axiale Mitte des stationären Scrollblatts verläuft. Als ein Ergebnis werden die Volumina der Taschen, welche mittels der Scrollblätter der Pumpe abgegrenzt sind, variiert, wenn das umlaufende Scrollblatt sich relativ zu dem stationären Scrollblatt bewegt. Die umlaufende Bewegung des umlaufenden Scrollblatts bewirkt zusätzlich, dass sich die Taschen innerhalb der Pumpenkopf Anordnung („pump head assembly”) bewegen, so dass die Taschen selektiv in offene Kommunikation mit einem Einlass und einem Auslass der Scrollpumpe platziert sind.
In einer Vakuumscrollpumpe bewirkt die Bewegung des umlaufenden Scrollblattes relativ zu dem stationären Scrollblatt, dass eine Tasche expandiert wird, welche von dem Auslass der Pumpe abgedichtet ist und in offener Kommunikation mit dem Einlass der Pumpe ist. Dementsprechend wird Fluid durch den Einlass hindurch in die Tasche hinein gesaugt. Der Einlass der Pumpe ist an ein System, das evakuiert werden soll, verbunden, z. B. ein System, aufweisend eine Bearbeitungskammer, in der ein Vakuum erzeugt werden soll und/oder von der Gas entladen werden soll. Dann wird die Tasche in eine Position bewegt, an der sie von dem Einlass der Pumpe abgedichtet ist und in offener Kommunikation mit dem Auslass der Pumpe ist, und gleichzeitig wird die Tasche kontrahiert. Somit wird das Fluid in der Tasche verdichtet und dadurch durch den Auslass der Pumpe hindurch abgeführt.
In den Vakuum Pumpensystemen, welche in Gaschromatographie, Leckage Detektion und dergleichen eingesetzt werden, bieten Scrollpumpen den Vorteil kein Öl zu verwenden, welches ansonsten die Instrumentierung kontaminieren und in falschen Messungen resultieren könnte. Ferner ist in den meisten Anwendungen ein Ausströmrückschlagventil („exhaust check valve”) über dem Auslass der Vakuumscrollpumpe angeordnet, um eine Rückströmung von Gas zu verhindern während gewissen Abschnitten des Verdichtungszykluses, welches die Effizienz der Vakuumpumpe herabsetzen würde. Jedoch, wie oben beschrieben, stürzt sich eine Vakuumscrollpumpe auf sehr kleine lichte Abstände zwischen den Blättern der umlaufenden und stationären Scrollblätter, um Dichtungen zwischen den Taschen aufrechtzuerhalten, welche zwischen dem Einlass und dem Auslass der Pumpe gebildet sind. Eine Leckage durch diese lichten Abstände hindurch mag während einem Betrieb auftreten, besonders bevor genug Druck in der stromabwärtigen Tasche gebildet ist, um das Ausströmrückschlagventil zu öffnen. Diese lichten Abstände sind klein genug, dass eine Leckage an den Dichtungen vernachlässigbar ist, wenn Luft oder Gase von ähnlichem Molekulargewicht gepumpt werden, d. h. ein Verlust aufgrund von Gasleckage ist akzeptabel. Auf der anderen Seite passieren die kleinen Gasmoleküle von niedrigem Molekulargewicht relativ leicht durch die kleinen lichten Abstände hindurch zwischen den stationären und umlaufenden Scrollblättern und bewegen sich stromaufwärts in der Pumpe. Dementsprechend mögen Vakuumscrollpumpen nicht sehr effizient sein beim Pumpen von Gasen von niedrigem Molekulargewicht, was volumetrische Pumpengeschwindigkeit oder Verdichtungsverhältnis betrifft.
Zudem werden Vakuumscrollpumpen oft verwendet Luft aus Kammern zu entfernen, wo die Luft Wasserdampf als ein Ergebnis von Feuchtigkeit enthalten mag. In diesem Fall mag der Wasserdampf in der Luft, welche ausgeströmt wird, kondensieren, wenn das Gas verdichtet wird. Die durchgezogenen Linien in dem Graphen von 1 zeigen den Verdichtungsprozess, wenn Luft von dem Einlass zu dem Auslass der Pumpe bewegt wird. In diesem Fall ist der Abführanschluss („discharge port”) der Abschnitt des Auslasses gerade stromaufwärts von dem Ausströmrückschlagventil, welcher gewöhnlich von der Außenseite mittels des Ventilkopfs des Rückschlagventils geschlossen ist. Falls der Betrag von Wasserdampf in dem Gas relativ groß ist, ist die Sättigungstemperatur des Gases eine Funktion von sowohl dem Druck als auch der Temperatur, wird die Sättigungstemperatur eventuell die tatsächliche Gastemperatur übersteigen, an welchem Punkt Wasser Gaskondensat zwischen den Blättern der Scrollpumpe bilden wird. Dieses Wasser kann Komponenten der Pumpe korrodieren und Gase, welche gepumpt werden, absorbieren, was Probleme in dem Betrieb der Pumpe usw. verursachen kann.
Um Gaskondensation innerhalb einer Vakuumscrollpumpe zu verhindern, wird zusätzliches Gas (beispielsweise Luft oder trockener Stickstoff) in die Verdichtungsstufe hinein durch einen Gasdurchgang („gas passageway”) hindurch an einer Stelle nahe aber nicht an dem stromabwärtigen Ende der Verdichtungsstufe gelenkt; dieser Prozess wird als ”Gasballast” („gas ballast”) bezeichnet. Das Ballastgas („ballast gas”) verdünnt das Gas, welches mittels der Vakuumscrollpumpe in der Verdichtungsstufe bearbeitet wird. Die hinzugefügte Gaslast erhöht auch die Temperatur des Gases. Die Kombination von diesen zwei Faktoren reduziert die Sättigungstemperatur des Gasstroms unter die tatsächliche Gastemperatur und eine Kondensation von Wasserdampf wird verhindert. Die Änderungen in den Mustern vom Innendruck sind in 1 mittels der verketteten Linien gezeigt. Es ergibt sich, dass sich die Sättigungstemperaturlinie und die Gastemperaturlinie jetzt nicht länger schneiden; somit wird Kondensation von Wasser nicht auftreten. Zusätzlich wird das Verwenden von Gasballast bei den Dämpfen von anderen Substanzen eingesetzt, die eine flüssige Form annehmen können bei den Kombinationen von Druck und Temperatur, die innerhalb einer Vakuumpumpe existieren können, z. B. verschiedene organische Lösungsmittel.
Zusammenfassung
Repräsentative Ausführungsbeispiele eines Grob Vakuum Pumpensystems („rough vacuum pump system”) umfassen eine primäre ölfreie Verdrängerpumpe („oil-free positive displacement vacuum pump”) und eine Sekundärvakuumpumpe („secondary vacuum pump”) und wobei das Verdichtungsverhältnis der Primärvakuumpumpe („primary vacuum pump”) und der Sekundärvakuumpumpe, welche in Kombination betrieben sind, größer ist als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Primärvakuumpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche individuell betrieben sind. Die Primärvakuumpumpe weist auf eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung, einen Verdichtungsmechanismus, welcher eine Verdichtungsstufe umfasst, welche mittels diskreter Verdichtungstaschen („pockets of compression”) gebildet ist, die voneinander abgedichtet sind und zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung eingefügt sind, und einen Zwischengasdurchgang („intermediate gas passageway”), welcher erste und zweite Enden aufweist. Die Sekundärvakuumpumpe hat einen Einlass, an dem die Sekundärvakuumpumpe an die Primärvakuumpumpe an dem ersten Ende des Zwischengasdurchgangs der Primärvakuumpumpe verbunden ist. Die Taschen, welche die Verdichtungsstufe der Primärvakuumpumpe bilden, umfassen eine Einlasstasche, an der Fluid in die Verdichtungsstufe aufgenommen wird, und eine Auslasstasche, von der Fluid von der Verdichtungsstufe abgeführt wird. Das zweite Ende des Gasdurchgangs der Primärvakuumpumpe ist direkt an einen Gasflusspfad („gas flow path”) der Primärvakuumpumpe verbunden, der an der Einlassöffnung beginnt, durch die Verdichtungsstufe hindurch verläuft und an der Auslassöffnung endet. Dementsprechend ist die Sekundärvakuumpumpe betreibbar, Gas aus der Verdichtungsstufe der Primärvakuumpumpe an einer Stelle stromaufwärts von der Auslassöffnung der Primärvakuumpumpe herauszuziehen.
Repräsentative Ausführungsbeispiele eines Grob Vakuum Pumpensystems umfassen eine Trocken Vakuum Scrollpumpe („dry vacuum scroll pump”), welche ein Ausströmrückschlagventil hat, und eine Sekundärvakuumpumpe, und wobei das Verdichtungsverhältnis der Scroll- und Sekundärvakuumpumpen, welche in Kombination betrieben sind, größer ist als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Vakuumscrollpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche individuell betrieben sind. Die Trocken Vakuum Scrollpumpe definiert eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung und einen Zwischengasdurchgang, welcher erste und zweite Enden hat, und ein stationäres Scrollblatt und ein umlaufendes Scrollblatt aufweist, welches mit dem stationären Scrollblatt verschachtelt ist, sodass damit eine Folge von Taschen abgegrenzt sind, welche eine Verdichtungsstufe der Scrollpumpe bilden. Die Sekundärvakuumpumpe hat einen Einlass, an dem die Sekundärvakuumpumpe an die Vakuumscrollpumpe an dem ersten Ende des Zwischengasdurchgangs der Vakuumscrollpumpe verbunden ist. Das zweite Ende des Gasdurchgangs der Vakuumscrollpumpe ist direkt an einen Gasflusspfad der Vakuumscrollpumpe verbunden, der an der Einlassöffnung beginnt, durch die Verdichtungsstufe hindurch verläuft und an der Auslassöffnung endet. Dementsprechend ist die Sekundärvakuumpumpe betreibbar, Gas aus der Verdichtungsstufe der Vakuumscrollpumpe an einer Stelle stromaufwärts des Ausströmrückschlagventils herauszuziehen.
Repräsentative Ausführungsbeispiele eines Grob Vakuum Pumpensystems umfassen eine Trocken Vakuum Scrollpumpe ohne ein Ausströmrückschlagventil und eine Sekundärvakuumpumpe, und wobei das Verdichtungsverhältnis der Scroll- und Sekundärvakuumpumpen, welche in Kombination betrieben sind, größer ist als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Scrollvakuumpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche individuell betrieben sind. Die Trocken Vakuum Scrollpumpe definiert eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung und einen Zwischengasdurchgang, welcher erste und zweite Enden hat, und ein stationäres Scrollblatt und ein umlaufendes Scrollblatt aufweist, welches mit dem stationären Scrollblatt verschachtelt ist, sodass damit eine Folge von Taschen abgegrenzt sind, welche eine Verdichtungsstufe der Scrollpumpe bilden. Die Sekundärvakuumpumpe hat einen Einlass, an dem die Sekundärvakuumpumpe an die Vakuumscrollpumpe an dem ersten Ende des Zwischengasdurchgangs der Vakuumscrollpumpe verbunden ist. Das zweite Ende des Gasdurchgangs der Vakuumscrollpumpe ist direkt an den Gasflusspfad der Vakuumscrollpumpe verbunden, der an der Einlassöffnung beginnt, durch die Verdichtungsstufe hindurch verläuft und an der Auslasstasche endet. Dementsprechend ist die Sekundärvakuumpumpe betreibbar, Gas aus der Verdichtungsstufe der Vakuumscrollpumpe an einer Stelle stromaufwärts von der Auslasstasche herauszuziehen.
Repräsentative Ausführungsbeispiele von Vakuumvorrichtungen umfassen einen Spurengas Detektor („tracer gas”), welcher an das Grob Vakuum Pumpensystem an einem Einlass der Primärvakuumpumpe des Systems verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Graph von Druck, Temperatur und Sättigungstemperatur von Gas, wenn das Gas von einem Einlass zu einem Auslass einer konventionellen Vakuumscrollpumpe bewegt wird, welche das Verwenden von Ballastgas umfasst, um ein Auftreten von Kondensation in der Pumpe zu verhindern;
2A ist ein Blockdiagramm von repräsentativen Ausführungsbeispielen von Vakuumvorrichtungen;
2B ist ein Blockdiagramm von weiteren repräsentativen Ausführungsbeispielen von Vakuumvorrichtungen;
3 ist ein schematisches Diagramm, welches ein repräsentatives Ausführungsbeispiel eines Vakuum Pumpensystems illustriert;
4 ist eine longitudinale Schnittansicht einer Vakuumscrollpumpe des Systems, welches in 3 gezeigt ist;
5 ist ein schematisches Diagramm, welches ein weiteres repräsentatives Ausführungsbeispiel eines Vakuum Pumpensystems illustriert;
6 ist ein schematisches Diagramm, welches ein weiteres repräsentatives Ausführungsbeispiel eines Vakuum Pumpensystems illustriert;
7A und 7B sind schematische Diagramme, welche noch ein weiteres repräsentatives Ausführungsbeispiel eines Vakuum Pumpensystems zeigen;
8 ist ein Blockdiagramm eines weiteren repräsentativen Ausführungsbeispiels eines Vakuum Pumpensystems; und
9 ist ein schematisches Diagramm eines repräsentativen Ausführungsbeispiels einer Vakuumvorrichtung.
Detaillierte Beschreibung von illustrativen Ausführungsbeispielen
Repräsentative Ausführungsbeispiele und Beispiele der Ausführungsbeispiele werden nachstehend mit Bezug auf die anhängigen Zeichnungen vollumfänglicher beschrieben werden. In den Zeichnungen mögen die Größen und relative Größen von Elementen zur Klarheit übertrieben sein. Gleichermaßen mögen die Umrisse von Elementen übertrieben sein und/oder vereinfacht sein zur Klarheit und Einfachheit des Verständnisses. Auch werden gleiche Ziffern und Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente in den Zeichnungen durchgehend zu kennzeichnen.
Ferner werden räumlich relative Begriffe verwendet, um ein Verhältnis eines Elementes zu einem anderen Element (anderen Elementen) zu beschreiben, wie es/sie in den Figuren illustriert ist/sind. Somit mögen die räumlich relativen Begriffe für gewöhnliche Orientierungen („orientations in use”) eingesetzt werden, welche von der in den Figuren dargestellten Orientierung abweichen. Offensichtlich beziehen sich alle solche räumlich relativen Begriffe auf die Orientierung, welche in den Zeichnungen zur Einfachheit der Beschreibung gezeigt sind, und sind nicht nötigerweise einschränkend, da eine Vorrichtung gemäß der Erfindung Orientierungen annehmen kann, welche unterschiedlich sind zu jenen, welche in den Zeichnungen illustriert sind, wenn diese in Verwendung ist.
Andere Terminologie, welche hierin zum Zwecke des Beschreibens bestimmter Beispiele oder Ausführungsbeispiele verwendet wird, muss im Kontext gesehen werden. Zum Beispiel kennzeichnen die Begriffe „aufweisen” oder „aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Gegenwart der genannten Merkmale aber schließen nicht die Gegenwart von zusätzlichen Merkmalen aus. Der Begriff „verbunden” mag sich auf eine direkte Verbindung oder eine Verbindung durch das Zwischenstück von einem oder mehreren Teilen oder Komponente beziehen, wenn nicht anderweitig spezifiziert. Der Begriff „Gas von leichtem Molekulargewicht” oder „leichtes Gas” mag sich auf ein beliebiges Gas beziehen, dessen Dichte geringer ist als diejenige von Luft.
Zunächst bezugnehmend auf 2A und 2B, repräsentative Ausführungsbeispiele eines Vakuum Pumpensystems 1000 umfassen im Allgemeinen eine Primärpumpe („primary pump”) 100 und eine Sekundärpumpe („secondary pump”) 200. Ferner mag das Vakuum Pumpensystem 1000 einen Einlass 1100 an einer Vakuumseite des Systems, wo Fluid in das Pumpensystem hinein gesaugt wird, und einen Auslass 1200 haben, welcher eine Verdichtungsseite des Systems ausbildet, wo Fluid unter Druck von dem System abgeführt wird. In repräsentativen Ausführungsbeispielen des Vakuum Pumpensystems 1000 ist die Primärpumpe 100 eine ölfreie Verdrängerpumpe, wie beispielsweise eine Vakuumscrollpumpe, und die Sekundärpumpe 200 ist ebenfalls eine ölfreie Verdrängerpumpe. Beispielsweise ist die Sekundärpumpe 200 eine Scrollpumpe, eine Wälzkolbenpumpe („roots pump”), eine Membran- oder Kolbenpumpe („diaphragm or piston pump”), eine Schraubenpumpe („screw pump”) oder eine Haken- und Klauenpumpe („hook and claw pump”).
Das Vakuum Pumpensystem 1000 kann über seinen Einlass 1100 an ein System oder eine Vorrichtung 2000 verbunden werden, in dem/der ein Vakuum erzeugt werden soll und/oder von dem/der Gas abgeführt werden soll. Das System oder die Vorrichtung 2000 mag eine oder mehrere Kammern und eine oder mehrere Turbomolekularpumpen („turbomolecular pumps”) aufweisen. In einem repräsentativen Ausführungsbeispiel einer Vakuumvorrichtung, die das Vakuum Pumpensystem 1000 umfasst, ist die Vorrichtung 2000 ein Detektor zum Detektieren eines Spurengases von einem niedrigem Molekulargewicht und das Vakuum Pumpensystem 1000 saugt Gas, welches das Spurengas aufweist, in den Detektor hinein. Beispielsweise ist der Detektor, welcher die Vorrichtung 2000 bildet, ein Leckage Detektor. In diesem Fall mag der Leckage Detektor 200 an ein Gerät 3000 verbunden sein mit dem Leckage Detektor 2000 zwischengeschalten zwischen dem Gerät 3000 und er Primärvakuumpumpe 100 des Vakuum Pumpensystems 1000. Das Gerät 3000 mag ein Testobjekt sein, welches auf Leckagen getestet werden soll (z. B. eine Kammer einer beliebigen Vorrichtung oder eines beliebigen Systems) oder eine Vorrichtung zum Verwenden zum Prüfen eines Testobjekt auf Leckagen, wie es später mit Bezug auf 9 detaillierter beschrieben werden wird.
Wie es auch detaillierter in Verbindung mit Beispielen des Vakuum Pumpensystems 1000 beschrieben werden wird, ist die Primärvakuumpumpe 100 eine ölfreie Verdrängerpumpe, welche eine Einlassöffnung 170 und eine Auslassöffnung 180 hat und einen Verdichtungsmechanismus aufweist, der Gas in die Primärvakuumpumpe 100 an der Einlassöffnung 170 saugt und das Gas aus der Primärvakuumpumpe 100 durch die Auslassöffnung 180 hinaus zwingt. Der Verdichtungsmechanismus hat eine Verdichtungsstufe, welche diskrete Verdichtungstaschen P bereitstellt, d. h. Taschen P, die voneinander abgedichtet sind und kontrahiert werden, um das Gas darin zu verdichten. 2A und 2B zeigen ein Beispiel eines Verdichtungsmechanismuses, welcher eine einzelne Verdichtungsstufe hat, in der die Verdichtungstaschen P jede sequenziell in Kommunikation mit der Einlassöffnung 170 und der Auslassöffnung 180 gesetzt werden. Jedoch kann der Verdichtungsmechanismus mehrere Stufen haben, welche in Reihe verbunden sind, in welchem Fall die Verdichtungsstufe von repräsentativen Ausführungsbeispielen die letzte Verdichtungsstufe in der Reihe mit Bezug auf die Gasflussrichtung wäre. Somit ist jede Tasche P der Verdichtungsstufe in Kommunikation mit der Auslassöffnung 180 gesetzt. Zuvor und/oder gleichzeitig mag die Tasche P kontrahiert werden, um das Gas zu verdichten und dadurch das Gas durch die Auslassöffnung 180 hindurch abzuführen.
In den in 2A gezeigten repräsentativen Ausführungsbeispielen hat die Primärvakuumpumpe 100 auch ein Ausströmrückschlagventil 140, das normalerweise die Verdichtungsstufe zu der Auslassöffnung 180 schließt. 2B zeigt repräsentative Ausführungsbeispiele, in denen es kein Ausströmrückschlagventil über der Auslassöffnung 180 gibt. Ferner umfasste das Vakuum Pumpensystem 1000 in beiden Fällen einen Gasdurchgang 190, der die Sekundärpumpe 200 direkt an einen Primärpfad von Gasfluss der Scrollpumpe 100 verbindet, der an der Einlassöffnung 170 beginnt, durch die Verdichtungsstufe hindurch verläuft und an der letzten Stelle endet, welche von der Auslassöffnung 180 (das Rückschlagventil („check valve”) 140 in den Ausführungsbeispielen von 2A oder die vorletzte Tasche P in der Gasflussrichtung in den Ausführungsbeispielen von 2B) abgedichtet ist. In den Ausführungsbeispielen von 2A mag der Gasflussdurchgang 190 direkt an den Primärpfad von Gasfluss an einer beliebigen von verschiedenen Stellen (beispielhaft erläutert mittels der gestrichelten Linien in der Figur) stromaufwärts des Ausströmrückschlagventils 140 verbunden sein. Auf der anderen Seite in dem Ausführungsbeispiel von 2B mag der Gasflussdurchgang direkt an den Primärgasflusspfad an der vorletzten Tasche oder stromaufwärts davon verbunden sein.
In repräsentativen Ausführungsbeispielen ist das Verdichtungsverhältnis von den Primär- und Sekundärvakuumpumpen 100 und 200, welche in Kombination betrieben sind, d. h. das Verdichtungsverhältnis des Vakuum Pumpensystems 1000, größer als das Verdichtungsverhältnis der Primärvakuumpumpe 100 alleine und auch größer als das Verdichtungsverhältnis der Sekundärvakuumpumpe 200 alleine. Hier, wie im Stand der Technik bekannt, ist das Verdichtungsverhältnis das Verhältnis des Drucks (normalerweise atmosphärisch) an dem Auslass zu dem Einlassdruck. Wenn der Druck im Einlass 1100 relativ hoch ist, wie beim Evakuieren des Testobjekts 3000, öffnet der Gasfluss und passiert durch das Ausströmrückschlagventil 140 der Primärvakuumpumpe hindurch und tritt an die Umgebungsatmosphäre um das System herum aus. Die Leitfähigkeit der Sekundärpumpe 200 beeinflusst nicht die Effizienz der Primärpumpe 100. Auf der anderen Seite, wenn der Druck im Einlass 1100 relativ niedrig ist, wie wenn das Gerät 3000 im Wesentlichen ausgepumpt wurde oder frei von Spurengas ist, mag die Sekundärpumpe 200 betrieben sein, den Druck in dem Gasdurchgang 190 unterhalb des Atmosphärendrucks zu reduzieren, so dass das Ausströmventil 140 geschlossen bleiben wird. Somit, in einem Beispiel, in dem das System oder die Vorrichtung 2000 ein Leckage Detektor ist, der ein Spurengas detektieren kann, kann das Spurengas nicht in den Leckage Detektor 2000 eindringen. Da der Gasdurchgang 190 an die Verdichtungsstufe an einer Stelle nahe dem Ende des Verdichtungsprozesses verbunden ist, wird im Wesentlichen dieselbe Leistungssteigerung im Pumpen von Spurengas erreicht, wie wenn die Sekundärpumpe 200 an die Primärvakuumpumpe Auslassöffnung 180 verbunden wäre.
Ein repräsentatives Ausführungsbeispiel einer Vakuumvorrichtung, welche das Pumpensystem 1000 aufweist, ist in 3 und 4 gezeigt. In 3 mögen manche Elemente zur Klarheit weggelassen sein.
Die primäre ölfreie Verdränger Vakuumpumpe („primary oil-free positive displacement vacuum pump”) 100 dieses Ausführungsbeispiels ist eine Vakuumscrollpumpe. Auch obwohl die Scrollpumpe 100 gezeigt ist als habe sie ein Ausströmrückschlagventil 140, d. h. ist ein Beispiel der in 2A gezeigten Primärvakuumpumpe, mag das Ventil weggelassen oder entfernt sein, wie in den in 2B illustrierten repräsentativen Ausführungsbeispielen. In beiden Fällen umfasst die Scrollpumpe 100 einen umlaufenden Plattenscroll 120, einen exzentrischen Antriebsmechanismus 130, einen Rahmen 150, einen stationären Plattenscroll 160 und einen Motor 300 zum Antreiben des exzentrischen Antriebsmechanismus 130. Bezugszeichen 400 kennzeichnet eine Verkleidung 400, in der die Scrollpumpe 100 und die Sekundärpumpe 200 zusammen eingehaust sein mögen.
Der stationäre Plattenscroll 160 ist an dem Rahmen 150 befestigt. Der Rahmen 150 stützt auch den exzentrischen Antriebsmechanismus 130. Der umlaufende Plattenscroll 120, der exzentrische Antriebsmechanismus 130 und das Ausströmrückschlagventil 140 mögen somit in einer Pumpenkopf Anordnung integriert sein mittels des Rahmens 150. Das Ausströmrückschlagventil 140 mag einen Ventilkopf 140a und eine Feder 140b aufweisen, welche den Ventilkopf 140a in einer normalerweise geschlossenen Stellung vorspannt. Der Rahmen 150 mag aus einem Stück sein, d. h. mag unitär sein, oder mag verschiedene integrale Teile aufweisen, die aneinander befestigt sind.
Der Rahmen 150 mag auch die Einlassöffnung 170 definieren, an die sich der Pumpeneinlass 1100 erstreckt. Der Rahmen 150 oder der stationäre Plattenscroll 160 (wie in dem illustrierten Beispiel) definiert die Auslassöffnung 180, welche zu dem Pumpenauslass 1200 führt, und den Gasdurchgang 190. Der Gasdurchgang 190 hat ein erstes Ende 190a (Anschluss; „port”), welcher zu der Außenseite des Pumpensystems führt, z. B. zu dem Pumpenauslass 1200, und ein zweites Ende (Anschluss) 190b, an dem der Gasdurchgang 190 direkt an den Primärpfad von Gasfluss der Scrollpumpe 100 verbunden ist. Ferner mag der Gasdurchgang 190 derselbe Durchgang sein, wie derjenige, welcher verwendet wird, Ballastgas in einer konventionellen Scrollpumpe bereitzustellen.
Der stationäre Plattenscroll 160 weist einen Grund („floor”; oder eine stationäre Platte) 160a und ein stationäres Scrollblatt 160b auf, welches von dem Grund 160a axial hervorsteht. Der umlaufende Plattenscroll 120 weist einen Grund (umlaufende Platte) 120a und ein umlaufendes Scrollblatt 120b auf, welches von dem Grund 120a axial hervorsteht. Das umlaufende Scrollblatt 120b und das stationäre Scrollblatt 160b sind mit einem lichten Abstand und einer vorbestimmten relativen Winkelpositionierung verschachtelt, so dass die Folge von Taschen P, welche die vorstehend genannte Verdichtungsstufe bilden, gleichzeitig mittels und zwischen den umlaufenden und stationären Scrollblättern 120b, 160b ausgebildet sind.
In repräsentativen Ausführungsbeispielen, in denen die Scrollpumpe 100 ölfrei ist, oder auf was als eine ”Trocken” Scrollpumpe Bezug genommen wird und per se bekannt ist, ist die Scrollpumpe konfiguriert, so dass diejenigen Blätter 120b, 160b einander nicht kontaktieren. Falls andererseits die Blätter 120b, 160b einander in einem beliebig hohen Maße kontaktieren würden, könnten die Blätter und die Pumpe beschädigt werden. Angesichts dessen erzeugen winzige radiale lichte Abstände zwischen Abschnitten der Scrollblätter 120b, 160b Dichtungen ausreichend zum Ausbilden zufriedenstellender Taschen P, welche voneinander abgegrenzt sind. Zusätzlich mag die Scrollpumpe 100 eine Spitzendichtung (”tip seal”; nicht gezeigt) haben, um eine axiale Dichtung zwischen dem Scrollblatt von einem von den umlaufenden und stationären Plattenscrolls und dem Grund oder der Platte von dem anderen von den umlaufenden und stationären Plattenscrolls zu erzeugen. Die Spitzendichtung mag ein Plastikteil sein, welches in eine Nut eingesetzt ist und entlang der Länge der Spitze des Scrollblatts von einem der stationären und umlaufenden Plattenscrolls verläuft, um zwischen der Spitze des Scrollblatts und dem Grund oder der Platte von dem anderen von den stationären und umlaufenden Plattenscrolls zwischengeschaltet zu sein. Derartige Spitzendichtungen sind per se bekannt und werden dementsprechend hier nicht weiter im Detail beschrieben werden.
Wie am besten in 4 gezeigt, mag der exzentrische Antriebsmechanismus 130 eine beliebige Form von denen, welche mittels Scrollpumpen verwendet werden, annehmen und somit eine Kurbelwelle 131 und Lagerungen 132 umfassen. In diesem Beispiel hat die Kurbelwelle 131 einen Hauptabschnitt 133, welcher an den Motor 300 gekoppelt ist, um mittels des Motors um die Longitudinalachse L der Scrollpumpe 100 rotiert zu werden, und eine Kurbel 134, deren zentrale Longitudinalachse in eine radialer Richtung von der Longitudinalachse L versetzt ist. Auch, in diesem Beispiel, ist der Hauptabschnitt 133 der Kurbelwelle mittels des Rahmens 150 über einen oder mehrere Set/Sets von Lagerungen 132 gestützt, um relativ zu dem Rahmen 150 rotierbar zu sein. Der umlaufende Plattenscroll 120 ist an die Kurbel 134 über ein weiteres Set oder Sets von Lagerungen 132 montiert. Somit ist der umlaufende Plattenscroll 120 mittels der Kurbel 134 getragen, um um die Longitudinalachse der Scrollpumpe umzulaufen, wenn der Hauptabschnitt 133 der Kurbelwelle mittels des Motors 300 rotiert wird, und der umlaufende Plattenscroll 120 ist mittels der Kurbel 134 gestützt, um rotierbar um die zentrale longitudinale Achse der Kurbel 134 zu sein.
Während eines Normalbetriebs der Pumpe tendieren Lasten an dem umlaufenden Scrollblatt 120b dazu den umlaufenden Plattenscroll 120 zu veranlassen um die zentrale Longitudinalachse der Kurbel 134 zu rotieren. Deshalb mag ein Mechanismus (nicht gezeigt), wie beispielsweise eine Oldham-Kupplung oder Metallbalge, bereitgestellt sein zum Beschränken des umlaufenden Plattenscroll 120 derart, als dass ihm erlaubt wird um die Longitudinalachse L der Scrollpumpe umzulaufen während seine Rotation um die zentrale Longitudinalachse der Kurbel 134 unterbunden wird.
Die umlaufende Bewegung des umlaufenden Scrollblatts 120b relativ zu dem stationären Scrollblatt 160b bewirkt eine zu der Einlassöffnung 170 offene Tasche P zu expandieren. Dementsprechend wird Gas in den Tascheneinlass P durch die Einlassöffnung 170 hinein gesaugt. Anschließend wird die Tasche P an eine Stelle bewegt, an der sie von der Einlassöffnung 170 und der Ausströmöffnung 180 mittels der kleinen radialen lichten Abstände zwischen den verschachtelten Scrollblättern 120b, 160b abgedichtet ist. Schlussendlich wird die Tasche P an eine Position bewegt, an der sie in offener Kommunikation mit der Auslassöffnung 180 ist und gleichzeitig wird die Tasche P kontrahiert. Somit wird das Gas in der Tasche P verdichtet und wenn das Gas einen gewissen Abführdruck erreicht, öffnet das Gas das Ausströmrückschlagventil 140 und wird aus der Scrollpumpe 100 und dem Pumpensystem durch die Ausströmöffnung 180 und Auslass 1200 hindurch abgeführt.
3 zeigt ein Beispiel, in dem der Auslass der Sekundärvakuumpumpe 200 an den Auslass der Primärvakuumpumpe 100 angebunden ist. 5 zeigt ein Beispiel, in dem der Auslass der Sekundärvakuumpumpe 200 separat von der Auslassöffnung 180 der Scrollpumpe und dem Auslass 1200 belüftet ist.
Bezugnehmend zurück zu 2A, 2B und 3 zu jedem Zeitpunkt umfassen daher die Folge von Taschen P, welche die Verdichtungsstufe der Scrollpumpe 100 bilden, eine Einlasstasche P₁, an der Fluid in die Verdichtungsstufe hinein aufgenommen wird, eine Auslasstasche P₃, von der Fluid von der Verdichtungsstufe abgeführt wird, und zumindest eine Zwischentasche P₂ zwischen den Einlass- und Auslasstaschen P₁, P₃ in Bezug auf die Gasflussrichtung von der Einlassöffnung 170 zu der Ausströmöffnung 180 durch die Verdichtungsstufe hindurch. Das heißt die Einlasstasche P₁ ist die Tasche, welche zu der Einlassöffnung 170 offen ist, die Auslasstasche P₃ ist die Tasche, welche zu der Ausströmöffnung 180 offen ist, und die Zwischentasche(n) P₂ ist/sind von der Einlassöffnung 170 und der Auslassöffnung 180 abgedichtet.
In einem Beispiel des repräsentativen Ausführungsbeispiels wird die Verdichtungsstufe mittels der Einlasstasche P₁, der Auslasstasche P₃ und einer Mehrzahl von Zwischentaschen P₂, welche in Reihe zwischen den Einlass- und Auslasstaschen P₁ und P₃ bereitgestellt sind, ausgebildet.
Bezugnehmend auf 2A, 3 und 4, d. h. in Beispielen, in denen die Scrollpumpe 100 ein Ausströmrückschlagventil 140 hat (und wieder wie beispielhaft mittels der gestrichelten Linien in 2A erläutert): (1) mag der Gasdurchgang 190 direkt an den Gasflusspfad an einer Stelle zwischen dem Ausströmrückschlagventil 140 und der Auslasstasche P₃ verbunden sein, und (2) mag der Gasdurchgang 190 alternativ oder zusätzlich direkt an eine oder mehrere der Taschen P verbunden sein. In Beispielen des repräsentativen Ausführungsbeispiels, in denen der Gasdurchgang 190 direkt an eine oder mehrere der Taschen P verbunden ist, ist der Gasdurchgang 190 vorzugsweise direkt an lediglich eine oder mehrere der Taschen P verbunden, die näher an der Auslassöffnung 180 als an der Einlassöffnung 170 mit Bezug auf die Gasflussrichtung durch die Verdichtungsstufe hindurch angeordnet ist/sind.
Auf der anderen Seite, mit Bezug auf 2B, 3, d. h. in Beispielen, in denen das Ausströmrückschlagventil 140 in der Scrollpumpe 100 nicht bereitgestellt ist, und wie mittels der gestrichelten Linien in 26 gezeigt, muss der Gasdurchgang 190 an eine Tasche(n) P direkt verbunden sein, die stromaufwärts von der Auslasstasche P₃ mit Bezug zu dem Gasfluss durch die Scrollpumpe 100 von der Einlassöffnung 170 zu der Auslassöffnung 180 hindurch ist/sind. Auf diese Art dichtet die Auslasstasche P₃ den Einlass der Sekundärpumpe 200 von der Auslassöffnung 180 der Vakuumscrollpumpe 100 ab.
Wie es diese Beispiele betrifft, stützen sich Vakuumscrollpumpen auf die vorstehend genannten kleinen internen lichten Abstände und die Anzahl von Windungen („turns”; auch als Wicklung „wrap” bezeichnet) der spiralförmigen Scrollblätter, um die Verdichtung zu erzeugen, welche notwendig ist, um die endgültigen Druckanforderungen der Pumpe zu erfüllen.
Insbesondere im Fall, in dem die Scrollpumpe betrieben wird während sie ihre endgültigen Druckanforderungen erfüllt, weist die Einlassseite der Scrollpumpe einen niedrigen Druck auf und die Ausströmseite der Pumpe weist einen relativ hohen Druck auf. Die Druckdifferenz von Ausströmseite zu der Einlassseite erzeugt ein Potenzial für Leckage des Gases in der Pumpe in eine Richtung von der Ausströmseite zu der Einlassseite durch die internen lichten Abstände zwischen den Plattenscrolls. Ferner ist dieses Potenzial für Leckage erhöht, wenn die Spitzendichtung(n) zwischen den Plattenscrolls beginnt/beginnen abgenutzt zu werden. In jedem Fall mag solch ein Rückfluss des Gases nicht nur die Leistung der Pumpe beeinflussen, sondern mag wiederum den Betrieb der Vorrichtung oder des Systems, welche/welches an die Scrollpumpe verbunden ist, erschüttern.
Die Sekundärpumpe 200 kann dieses Potentialproblem abschwächen mittels Evakuierens von Restgas von der Verdichtungsstufe an einer Stelle(n) unmittelbar stromaufwärts des Ausströmrückschlagventils 140. Dieser und andere Vorteile werden detaillierter untenstehend in Bezug auf andere repräsentative Ausführungsbeipiele und Beispiele davon erklärt.
6 und 7 illustrieren repräsentative Ausführungsbeispiele, in denen das Vakuum Pumpensystem 1000 ein Richtung Fluss Steuerventil umfasst, welches in Reihe zwischen dem Gasdurchgang 190 und der Sekundärvakuumpumpe 200 angeordnet ist.
In dem Ausführungsbeispiel von 6 ist das Richtung Fluss Steuerventil ein zwei Stellungen Richtung Fluss Steuerventil 700, das bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss zu der Sekundärvakuumpumpe 200 von der Primärvakuumpumpe 100 durch den Zwischengasdurchgang 190 erlaubt, und einer zweiten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss zu der Sekundärvakuumpumpe 200 von der Primärvakuumpumpe 100 durch den Zwischengasdurchgang 190 blockiert.
Das Vakuum Pumpensystem oder die dasselbe aufweisende Vorrichtung mag auch ein Steuersystem umfassen, welches aufweist einen Controller 600, welcher betriebsbereit verbunden ist an die Sekundärvakuumpumpe 200 und an das Ventil 700, und einen Drucksensor 800, welcher in dem Einlass 1100 positioniert ist, um den Druck in dem Pumpeneinlass 1100 zu messen.
Wenn der Druck in dem Einlass 1100 relativ hoch ist wie mittels des Drucksensors 800 gemessen, während eines Betriebes, in dem die Vorrichtung oder das System 2000 evakuiert wurde, schließt der Controller 600 das Ventil 700 (bewegt das Ventil in die zweite Stellung), derart dass Gas nicht von dem Gasdurchgang 190 zu der Sekundärpumpe 200 passieren kann. Die Sekundärpumpe 200 ist somit vor einem Erfahren exzessiven Drucks an ihrem Einlass bewahrt. Auch mag die Sekundärpumpe 200 zu diesem Zeitpunkt mittels des Controllers 600 ausgeschaltet werden, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Das Ventil 700 ist bewegt zu oder gehalten in seiner ersten Stellung mittels des Controllers 600, wenn der Gasdruck in dem Einlass 1100 relativ niedrig ist, wie es zum Beispiel auftreten mag, wenn die Vorrichtung oder das System 2000 im Wesentlichen ausgepumpt wurde. In diesem Fall erlaubt das Ventil Fluidkommunikation zwischen dem Gasdurchgang der Primärvakuumpumpe 100 und der Sekundärpumpe 200. In diesem Betriebszustand wird daher eine Verbesserung der Verdichtung im Pumpen von Helium oder einem anderen niedrig Molekulargewicht Gas erreicht, während es dort gleichzeitig keine Restriktion zum Auspumpen der Vorrichtung oder des Systems 2000 gibt. Zusätzlich mag dieser Betriebszustand trotz der Gegenwart des Ausströmrückschlagventils 140 in dem System bereitstellt sein. Dementsprechend kann das System von den bekannten Geräuschreduktionsvorteilen profitieren, welche mittels des Ausströmrückschlagventils 140 bereitgestellt werden.
In dem Ausführungsbeispiel von 7A und 7B umfasst das Vakuum Pumpensystem oder die dasselbe aufweisende Vorrichtung ein Multi-Anschluss Richtung Fluss Steuerventil 700A („multi-port directional flow control valve”), dessen Stellung auch mittels eines Steuersystems gesteuert wird, welches einen Controller 600 und einen Drucksensor 800 umfasst. Dieses Steuerventil 700A schafft zwei Betriebszustände.
Der erste Zustand, wie in 7A gezeigt, wird geschaffen, wenn der Druckeinlass 1100 relativ hoch ist, wie wenn Gas aus der Vorrichtung oder dem System 2000 gepumpt wird. In diesem Zustand ist die Sekundärpumpe 200 mit Ventilen von dem Gasstrom mittels der Tätigkeit des Steuerventils 700A ausgenommen. Die Sekundärpumpe 200 mag in diesem Zustand ausgeschaltet sein, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Luft oder ein weiteres passendes Gas für Gasballast wird in Anschluss 701 des Steuerventil 700A hinein gesaugt, passiert durch das Ventil hindurch und in den Gasdurchgang der Primärvakuumpumpe 100 hinein. Auf diese Art wird Kondensation vom Entstehen innerhalb der Primärvakuum (Scroll) Pumpe 100 verhindert. Der Ausströmstrom, welcher aus Gas von dem System oder der Vorrichtung 2000 und Ballastgas von dem Durchgang 190 besteht, wird durch den Auslass 1200 des Vakuum Pumpensystems an die Umgebung ausgeströmt.
Der zweite Zustand, wie in 7B gezeigt, wird geschaffen, wenn der Druck in dem Einlass 1100 relativ niedrig ist, wie wenn die Vorrichtung oder das System 2000 im Wesentlichen ausgepumpt wurde. In diesem Fall ist der Zustand des Ventils 700A umgekehrt womit der Gasdurchgang 190 der Primärvakuum (Scroll) Pumpe 100 und der Sekundärpumpe 60 in Fluidkommunikation platziert ist. In diesem Betriebszustand wird daher die Verbesserung der Verdichtung im Pumpen von Helium oder einem anderen niedrig Molekulargewicht erreicht.
Obwohl das Steuersystem gezeigt und beschrieben wurde als ob es einen Drucksensor hat, welcher in dem Einlass 1100 des Vakuum Pumpensystems lokalisiert ist, kann der Drucksensor an anderen Stellen lokalisiert sein, wie zum Beispiel an dem Auslass des Systems oder der Vorrichtung 2000. Außerdem mögen die Richtung Fluss Steuerventile 700, 700A elektromagnetisch betriebene Ventile (”solenoid operated valves”) sein und mittels elektrischen Signalen von dem Controller 600 gesteuert werden. Alternativ können die Richtung Fluss Steuerventile 700, 700A druckaktivierte Ventile sein. Noch ferner, obwohl das Steuersystem gezeigt wurde als ob es lediglich einen Drucksensor 800 habe, kann eine Mehrzahl von Drucksensoren an verschiedenen Stellen in dem Vakuum Pumpensystem oder der dasselbe aufweisenden Vorrichtung bereitgestellt sein, und die Drücke von diesen Sensoren können verwendet werden, um das Richtung Fluss Steuerventil zu positionieren. Beispielsweise in einem weiteren Beispiel des repräsentativen Ausführungsbeispiels von 7A und 7B ist der Controller 600 konfiguriert, derart dass das Richtung Fluss Steuerventil 700A positioniert wird, basierend auf einem Verhältnis zwischen Drücken, welche mittels der Drucksensoren erkannt werden, welche in oder nahe des Gaseinlasses 1100, des Gasdurchgangs 190, des Einlasses der Sekundärpumpe 200 lokalisiert sind, und dem Druck der Umgebungsatmosphäre. Zusätzlich mag der Betrieb des Steuerventils sowie das Einschalten und Ausschalten der Sekundärpumpe gesteuert werden basierend auf einer Vielzahl von weiteren Prozessparametern in dem Betrieb des Vakuumsystems 1000 oder in einer Vorrichtung, welche das Vakuumsystem 1000 nutzt, wie beispielsweise einer Leckage Detektion Vorrichtung, wie es ohne weiteres von einem Fachmann verstanden werden wird.
8 illustriert ein weiteres repräsentatives Ausführungsbeispiel eines Vakuum Pumpensystems 1000. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Sekundärpumpe 200 eine Kolbenpumpe („piston type of pump”), welche einen Kolben 210 aufweist. Ein erstes System Rückschlagventil CV₁ ist in dem Zwischengasdurchgang 190 bereitgestellt, d. h. zwischen der Verdichtungsstufe der Vakuumscrollpumpe 100 und der Sekundärpumpe 200. Ein zweites System Rückschlagventil CV₂ ist zwischen dem Auslass der Sekundärpumpe 200 und der Umgebungsatmosphäre außerhalb des Systems 100 bereitgestellt. In diesem Beispiel, in dem der Auslass der Sekundärpumpe 200 an den Auslass der Vakuumscrollpumpe 100 angebunden ist, ist das zweite System Rückschlagventil CV₂ bereitgestellt zwischen dem Auslass der Sekundärpumpe 200 und dem Auslass 1200 des Pumpensystems. Ein Balg („bellows”) 211 mag anstelle von oder zusätzlich zu einem Kolbenring des Kolbens 211 bereitgestellt sein, um eine abgedichtete Pumpenkammer 212 der Sekundärpumpe 200 auszubilden.
Im Betrieb wird der Kolben 210 in die Richtungen hin- und herbewegt, welche mittels des doppelspitzigen Pfeils bezeichnet sind, um einen Ansaughub (Kolbenbewegung nach rechts in der Figur) und einen Abführhub (Kolbenbewegung nach links) zu haben. Während des Ansaughubs des Kolbens 210 wird negativer Druck in der Kammer 212 erzeugt, um das System Rückschlagventil CV₁ zu öffnen und um Gas in die Kammer 212 der Sekundärpumpe 200 durch den Gasdurchgang 190 hinein zu saugen. Das heißt Gas wird von der Verdichtungsstufe der Vakuumscrollpumpe 100 an einer Stelle gerade stromaufwärts des Ausströmrückschlagventils 140 der Pumpe ausgesaugt.
Während des Abführhubs des Kolbens 210 wird das Gas in der Kammer 212 verdichtet, um das zweite System Rückschlagventil CV₂ zu öffnen, womit das Gas von dem System abgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt verhindert das erste System Rückschlagventil CV₁ einen Rückfluss von Gas in die Verdichtungsstufe der Vakuumscrollpumpe 100 hinein.
Es sei zur Kenntnis zu nehmen, dass auch eine kolbenartige Sekundärvakuumpumpe 200 („piston type of secondary vacuum pump”) verwendet wird, wobei der Kolben 210 als ein Sekundärpumpenmechanismus in der Primärvakuumpumpe 100 integriert sein mag. Zum Beispiel in dem Fall, in dem die Primärvakuumpumpe eine Vakuumscrollpumpe von der Art wie in 4 gezeigt ist und ein Ausströmrückschlagventil hat, mag der Kolben 210 innerhalb des Zwischengasdurchgangs 190 bereitgestellt sein. In diesem Fall können verschiedene Arten von Aktuatoren verwendet werden, um den Kolben 210 innerhalb des Gasdurchgangs 190 hin- und herzubewegen. Auch in diesem Fall hätte die Sekundärvakuumpumpe einen Ansaughub, bei dem der Kolben 210 in Richtung des ersten Endes 190a des Zwischengasdurchgangs 190 getrieben würde, um Gas an einer Stelle(n) stromaufwärts von dem Ausströmrückschlagventil 140 einzusaugen, und einen Ausführhub, an dem der Kolben 210 in Richtung des zweiten Endes 190b des Zwischengasdurchgangs 190 getrieben würde, um Gas aus der Auslassöffnung 180 auszustoßen mittels Öffnens des Ausströmrückschlagventils 140.
Außerdem, wie es sich klar aus 2A und 2B ergibt, mögen die Merkmale der repräsentativen Ausführungsbeispiele und Beispiele davon, welche gezeigt sind in und beschrieben sind mit Bezug zu 3 bis 8 von verschiedenen Arten von Vorrichtungen genutzt werden, welche einen Spurengasdetektor („tracer gas detector”) haben.
9 illustriert ein Beispiel einer solchen Vakuumvorrichtung. In diesem Beispiel ist die Vorrichtung 2000 ein Leckage Detektor, welcher geeignet ist ein leichtes (Spuren) Gas zu detektieren. Beispielsweise mag der Leckage Detektor 2000 ein Massenspektrometer, eine Penning-Zelle, ein Magnetron oder einen gasverbrauchenden Vakuummesser („gas-consuming vacuum gauge”) und Verbaueinbauten („support equipment”) und Steuerungen davon aufweisen. Der Leckage Detektor 2000 ist zwischen dem Vakuum Pumpensystem 1000 und dem Gerät 3000 verkoppelt. Das Gerät 3000 mag eine auf Leckagen zu testende Kammer (Testobjekt) sein. In diesem Fall mag das leichte Spurengas um die Kammer 3000 herum bereitgestellt sein und die Kammer wird mittels des Vakuum Pumpensystems 1000 über den Leckage Detektor 2000 evakuiert. Das Verdichtungsverhältnis der Primär- und Sekundärvakuumpumpen 100 und 200, welche in Kombination betrieben sind, wenn sie das leichte Gas pumpen, ist größer als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Primärvakuumpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche das leichte Gas alleine pumpen. Falls die Kammer 3000 eine Leckage hat, wird das leichte Gas in die Kammer 3000 hinein gesaugt mittels des Vakuums, welches darin mittels des Vakuum Pumpensystems 1000 gebildet ist, und das leichte Gas nebst dem Gas in der Kammer 3000 wird mittels des Systems 1000 durch den Leckage Detektor 2000 gesaugt, wobei das leichte Gas mittels des Detektors detektiert wird.
Die Kammer 3000 muss nicht das Testobjekt bilden. Zum Beispiel kann das Testobjekt ein beliebiges Objekt sein, welches mit dem Spurengas druckbeaufschlagt ist und in der Kammer 3000 platziert ist. Alternativ kann das Innere eines Testobjekts an den Leckage Detektor 200 verbunden sein, kann das Testobjekt in der Kammer 3000 platziert sein und kann die Kammer 3000 mit Spurengas gefüllt sein. In jedem Fall, falls das Testobjekt in der Kammer 3000 eine Leckage hat, wird das Spurengas mittels des Systems 1000 durch den Leckage Detektor 2000 gesaugt, wobei das leichte Gas mittels des Detektors detektiert wird.
In noch einem weiteren Beispiel kann das Gerät 3000 ein sogenannter „Schnüffler” („sniffer”) sein, welcher aus einem Stiftscanner („wand”) besteht, welcher eine winzige Verengung („orifice”) oder eine semipermeable Membran hat und welcher an den Leckage Detektor 2000 verbunden ist. In diesem Fall kann das Testobjekt mit dem Spurengas druckbeaufschlagt sein und die Außenseite des Objekts kann mit dem „Schnüffler” gescannt werden (zum Beispiel entlang seiner Nähte). Jedes Gas, welches von (den Nähten) des Testobjekts leckt wird mittels des Systems 1000 in den Stiftscanner hinein durch die Verengung oder die semipermeable Membran hindurch gesaugt und von dem Stiftscanner in den Leckage Detektor 2000 hinein, wobei das Spurengas mittels des Detektors detektiert wird.
Ein repräsentatives Ausführungsbeispiel eines Vakuum Pumpensystems oder einer Vakuumvorrichtung, welche einen Spurengasdetektor und ein wie obenstehend beschriebenes Vakuumsystem umfasst, mag einen oder mehrere der folgenden Vorteile bereitstellen:

(1) eine drastische Reduzierung in dem Basisdruck der Scrollpumpe eines Vakuum Pumpensystems als ein Ergebnis des reduzierten Drucks stromaufwärts des Ausströmrückschlagventils, welche wiederum in einer entsprechenden Reduzierung in der Leckage des Gases zurück in den Pumpeneinlass resultiert;
(2) eine Reduktion in der Menge von Arbeit, welche benötigt wird das Gas in der Verdichtungsstufe zu verdichten, welche in einer wesentlichen Reduzierung von Leistung resultiert, welche von der Primärvakuumpumpe bei Basisdruck Bedingungen gesaugt wird;
(3) niedrigere Temperatur und erhöhte Lebensdauer der Primärpumpe, wie zum Beispiel die niedrigere Temperatur des Pumpenkopfs und erhöhte Lebensdauer der Lagerungen/Schmierung einer Scrollpumpe, bei Basisdruck Bedingungen als ein Ergebnis der reduzierten Leistung, welche von der Primärvakuumpumpe gesaugt wird;
(4) Erhöhen der Lebensdauer der Spitzendichtung(en) einer Vakuumscrollpumpe als ein Ergebnis des Eliminierens des Gasstelldrucks („gas actuating pressure”), der wirkt, um die Spitzendichtung nahe der axialen Mitte der Scrollpumpe abzunutzen;
(5) Reduzieren der Menge von Gaskondensation in der Verdichtungsstufe; und
(6) Erhöhen der Lebensdauer der Sekundärvakuumpumpe mittels Erlaubens der Pumpe ausgeschaltet zu werden während gewissen Betriebsbedingungen.

Letztendlich wurden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Idee und Beispiele davon vorstehend detailliert beschrieben. Die erfindungsgemäße Idee mag jedoch in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt sein und sollte nicht ausgelegt werden, als dass sie auf die obenstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Zum Beispiel obwohl die vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Vakuumscrollpumpen detailliert beschrieben wurde, mag die vorliegende Erfindung in anderen Arten von Vakuumpumpen eingesetzt werden, die zumindest eine Verdichtungsstufe haben, welche mittels Verdichtungsregionen, d. h. abgedichteten „Taschen”, ausgebildet sind, deren Volumen variiert wird, um Fluid in die Pumpe hinein zu saugen und das Fluid von der Pumpe auszustoßen. Dementsprechend wurden die Ausführungsbeispiele und Beispiele der Erfindung beschrieben, so dass diese Offenbarung sorgfältig und vollständig ist und einem Fachmann die erfindungsgemäße Idee vollständig vermittelt. Somit sind die Lehre und der Umfang der erfindungsgemäßen Idee nicht durch das Ausführungsbeispiel und die Beispiele, welche obenstehend beschrieben sind, beschränkt sondern durch die folgenden Patentansprüche.

Claims

Ein Grob Vakuum Pumpensystem, aufweisend: eine Primärvakuumpumpe aufweisend eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung, einen Verdichtungsmechanismus, welcher eine Verdichtungsstufe umfasst, welche mittels diskreter Verdichtungstaschen gebildet ist, die von einander abgedichtet sind und zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung eingefügt sind, und einen Zwischengasdurchgang, aufweisend erste und zweite Enden, und eine Sekundärvakuumpumpe, welche einen Einlass hat, an dem die Sekundärvakuumpumpe an die Primärvakuumpumpe an dem ersten Ende des Zwischengasdurchgangs der Primärvakuumpumpe verbunden ist, und wobei die Primärvakuumpumpe eine ölfreie Verdrängerpumpe ist, die Taschen, welche die Verdichtungsstufe der Primärvakuumpumpe bilden, umfassen eine Einlasstasche, an der Fluid in die Verdichtungsstufe aufgenommen wird, und eine Auslasstasche, von der Fluid von der Verdichtungsstufe abgeführt wird, das zweite Ende des Gasdurchgangs der Primärvakuumpumpe direkt an einen Gasflusspfad der Primärvakuumpumpe verbunden ist, welcher an der Einlassöffnung beginnt, durch die Verdichtungsstufe hindurch verläuft und an der Auslassöffnung endet, derart dass die Sekundärvakuumpumpe betreibbar ist, Gas aus der Verdichtungsstufe der Primärvakuumpumpe an einer Stelle stromaufwärts von der Auslassöffnung der Primärvakuumpumpe herauszuziehen, und das Verdichtungsverhältnis der Primärvakuumpumpe und der Sekundärvakuumpumpe, welche in Kombination betrieben sind, größer ist als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Primärvakuumpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche individuell betrieben sind.
Das System gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend ein Richtungssteuerventil, welches in Reihe zwischen dem Zwischengasdurchgang und der Sekundärvakuumpumpe angeordnet ist.
Das System gemäß Anspruch 2, wobei das Ventil ein zwei Stellungen Richtung Fluss Steuerventil ist, das bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss zu der Sekundärvakuumpumpe von der Primärvakuumpumpe durch den Zwischengasdurchgang erlaubt, und einer zweiten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss zu der Sekundärvakuumpumpe von der Primärvakuumpumpe durch den Zwischengasdurchgang blockiert, und ferner aufweisend ein Steuersystem, welches betreibbar verbunden ist an die Sekundärvakuumpumpe und an das Ventil und konfiguriert ist die Sekundärvakuumpumpe auszuschalten, falls das Ventil in der zweiten Stellung davon ist.
Das System gemäß Anspruch 2, wobei das Richtungssteuerventil einen ersten Anschluss, an dem das Ventil an den Zwischengasdurchgang verbunden ist, einen zweiten Anschluss, an dem das Ventil an die Sekundärvakuumpumpe verbunden ist, und einen Ballastgas dritten Anschluss hat, und das Ventil bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss an die Sekundärvakuumpumpe von der Primärvakuumpumpe durch den Zwischengasdurchgang erlaubt, während eine Fluidkommunikation zwischen dem Zwischengasdurchgang und dem dritten Anschluss geschlossen ist, und einer zweiten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss an die Primärvakuumpumpe durch den dritten Anschluss und den Zwischengasdurchgang erlaubt, während eine Fluidkommunikation zwischen der Primärvakuumpumpe und der Sekundärvakuumpumpe durch den Zwischengasdurchgang geschlossen ist.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei das Verdichtungsverhältnis der Primärvakuumpumpe und der Sekundärvakuumpumpe, welche zum Pumpen eines Gases, dessen Dichte geringer ist als diejenige von Luft, in Kombination betrieben sind, größer ist als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Primärvakuumpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche zum Pumpen des Gases individuell betrieben sind.
Vakuumvorrichtung, aufweisend ein Grob Vakuum Pumpensystem gemäß Anspruch 1, und einen Spurengasdetektor, der ein Spurengas detektiert, wobei der Spurengasdetektor an die Primärvakuumpumpe an einem Einlass der Primärvakuumpumpe, der die Einlassöffnung definiert, verbunden ist.
Vakuumvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der Spurengasdetektor ein Massenspektrometer, eine Penning-Zelle, ein Magnetron oder einen gasverbrauchenden Vakuummesser aufweist.
Vakuumvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das Verdichtungsverhältnis der Primärvakuumpumpe und der Sekundärvakuumpumpe, welche zum Pumpen des Spurengases in Kombination betrieben sind, größer ist als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Primärvakuumpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche zum Pumpen des Spurengases individuell betrieben sind.
Ein Grob Vakuum Pumpensystem aufweisend: eine Trocken Vakuum Scrollpumpe, welche definiert eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung und einen Zwischengasdurchgang, welcher ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, und welche aufweist ein stationäres Scrollblatt, ein umlaufendes Scrollblatt, welches mit dem stationären Scrollblatt verschachtelt ist, sodass damit eine Folge von Taschen abgegrenzt sind, welche eine Verdichtungsstufe der Scrollpumpe bilden, und ein Ausströmrückschlagventil, welches über der Auslassöffnung angeordnet ist; und eine Sekundärvakuumpumpe, welche einen Einlass hat, an dem die Sekundärvakuumpumpe an die Vakuumscrollpumpe an dem ersten Ende des Zwischengasdurchgangs der Vakuumscrollpumpe verbunden ist, und wobei das zweite Ende des Gasdurchgangs der Vakuumscrollpumpe direkt an einen Gasflusspfad der Vakuumscrollpumpe verbunden ist, der an der Einlassöffnung beginnt, durch die Verdichtungsstufe hindurch verläuft und an dem Rückschlagventil endet, derart dass die Sekundärvakuumpumpe betreibbar ist, Gas aus der Verdichtungsstufe der Vakuumscrollpumpe an einer Stelle stromaufwärts von dem Ausströmrückschlagventil herauszuziehen, und das Verdichtungsverhältnis der Vakuumscrollpumpe und der Sekundärvakuumpumpe, welche in Kombination betrieben sind, größer ist als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Vakuumscrollpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche individuell betrieben sind.
Das System gemäß Anspruch 9, ferner aufweisend ein Richtungssteuerventil, welches in Reihe zwischen dem Zwischengasdurchgang und der Sekundärvakuumpumpe angeordnet ist.
Das System gemäß Anspruch 10, wobei das Ventil ein zwei Stellungen Richtung Steuerventil ist, das bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss zu der Sekundärvakuumpumpe von der Vakuumscrollpumpe durch den Zwischengasdurchgang erlaubt, und einer zweiten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss zu der Sekundärvakuumpumpe von der Vakuumscrollpumpe durch den Zwischengasdurchgang blockiert, und ferner aufweisend ein Steuersystem, welches betreibbar verbunden ist an die Sekundärvakuumpumpe und an das Ventil und konfiguriert ist die Sekundärvakuumpumpe auszuschalten, falls das Ventil in der zweiten Stellung ist.
Das System gemäß Anspruch 10, wobei das Richtungssteuerventil einen ersten Anschluss, an dem das Ventil an den Zwischengasdurchgang verbunden ist, einen zweiten Anschluss, an dem das Ventil an die Sekundärvakuumpumpe verbunden ist, und einen Ballastgas dritten Anschuss hat, und das Ventil bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss an die Sekundärvakuumpumpe von der Vakuumscrollpumpe durch den Zwischengasdurchgang und dem dritten Anschluss geschlossen ist, und einer zweiten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss an die Vakuumscrollpumpe durch den dritten Anschluss und den Zwischengasdurchgang erlaubt, während eine Fluidkommunikation zwischen der Vakuumscrollpumpe und der Sekundärvakuumpumpe durch den Zwischengasdurchgang geschlossen ist.
Vakuumvorrichtung, aufweisend ein Grob Vakuum Pumpensystem gemäß Anspruch 9, und einen Spurengasdetektor, der ein Spurengas detektiert, wobei der Spurengasdetektor an die Vakuumscrollpumpe an einem Einlass der Vakuumscrollpumpe, der die Einlassöffnung definiert, verbunden ist.
Vakuumvorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das Verdichtungsverhältnis der Vakuumscrollpumpe und der Sekundärvakuumpumpe, welche zum Pumpen des Spurengases in Kombination betrieben sind, größer ist als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Vakuumscrollpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche zum Pumpen des Spurengases individuell betrieben sind.
Ein Grob Vakuum Pumpensystem aufweisend: eine Trocken Vakuum Scrollpumpe, welche definiert eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung und einen Zwischengasdurchgang, welcher ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, und welche aufweist ein stationäres Scrollblatt, ein umlaufendes Scrollblatt, welches mit dem stationären Scrollblatt verschachtelt ist, sodass damit eine Folge von Taschen abgegrenzt sind, welche eine Verdichtungsstufe der Scrollpumpe bilden; und eine Sekundärvakuumpumpe, welche einen Einlass hat, an dem die Sekundärvakuumpumpe an die Vakuumscrollpumpe an dem ersten Ende des Zwischengasdurchgangs der Vakuumscrollpumpe verbunden ist, und wobei die Taschen der Vakuumscrollpumpe umfassen eine Einlasstasche, an welcher Fluid in die Verdichtungsstufe hinein aufgenommen wird, und eine Auslasstasche, von welcher Fluid von der Kompressorstufe ausgeströmt wird, und wobei das zweite Ende des Gasdurchgangs der Vakuumscrollpumpe direkt an einen Gasflusspfad der Vakuumscrollpumpe verbunden ist, der an der Einlassöffnung beginnt, durch die Verdichtungsstufe hindurch verläuft und an der Auslasstasche endet, derart dass die Sekundärvakuumpumpe betreibbar ist, Gas aus der Verdichtungsstufe der Vakuumscrollpumpe an einer Stelle stromaufwärts von der Auslasstasche der Vakuumscrollpumpe herauszuziehen.
Das System gemäß Anspruch 15, ferner aufweisend ein Richtungssteuerventil, welches in Reihe zwischen dem Zwischengasdurchgang und der Sekundärvakuumpumpe angeordnet ist.
Das System gemäß Anspruch 16, wobei das Ventil ein zwei Stellungen Richtung Fluss Steuerventil ist, das bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss zu der Sekundärvakuumpumpe von der Vakuumscrollpumpe durch den Zwischengasdurchgang erlaubt, und einer zweiten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss zu der Sekundärvakuumpumpe von der Vakuumscrollpumpe durch den Zwischengasdurchgang blockiert, und ferner aufweisend ein Steuersystem, welches betreibbar verbunden ist an die Sekundärvakuumpumpe und an das Ventil und konfiguriert ist die Sekundärvakuumpumpe auszuschalten, falls das Ventil in der zweiten Stellung davon ist.
Das System gemäß Anspruch 16, wobei das Richtungssteuerventil einen ersten Anschluss, an dem das Ventil an den Zwischengasdurchgang verbunden ist, einen zweiten Anschluss, an dem das Ventil an die Sekundärvakuumpumpe verbunden ist, und einen Ballastgas dritten Anschluss hat, und das Ventil bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss an die Sekundärvakuumpumpe von der Vakuumscrollpumpe durch den Zwischengasdurchgang erlaubt, während eine Fluidkommunikation zwischen dem Zwischengasdurchgang und dem dritten Anschluss geschlossen ist, und einer zweiten Stellung, an der das Ventil den Gasfluss an die Vakuumscrollpumpe durch den dritten Anschluss und den Zwischengasdurchgang erlaubt, während eine Fluidkommunikation zwischen der Vakuumscrollpumpe und der Sekundärvakuumpumpe durch den Zwischengasdurchgang geschlossen ist.
Vakuumvorrichtung, aufweisend ein Grob Vakuum Pumpensystem gemäß Anspruch 15, und einen Spurengasdetektor, der ein Spurengas detektiert, wobei der Spurengasdetektor an die Vakuumscrollpumpe an einem Einlass der Vakuumscrollpumpe, der die Einlassöffnung definiert, verbunden ist.
Vakuumvorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei das Verdichtungsverhältnis der Vakuumscrollpumpe und der Sekundärvakuumpumpe, welche zum Pumpen des Spurengases in Kombination betrieben sind, größer ist als dasjenige von dem Verdichtungsverhältnis von entweder der Vakuumscrollpumpe oder der Sekundärvakuumpumpe, welche zum Pumpen des Spurengases individuell betrieben sind.