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Pumpenkombination hoher Saugleistung Die Erfindung bezieht sich auf
eine Vakuumpumpenkombination bestehend aus mindestens einer Hochvakuumpumpe, insbesondere
Drehkolbenpumpe, und einer Vorpumpe in Reihenschaltung.
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In der Vakuumtechnik werden Pumpenkombinationen hoher volumetrischer
Saugleistung vielfach benötigt, um aus einer Anlage bei einem bestimmten Arbeitsdruck
größere Gas- oder Dampfmengen abzusaugen, die durch Undiohtigkeit eindringen oder
die im Verlauf eines in der Anlage durchgeführten Prozesses frei werden. Für diese
Anwendung ist erforderlich, daß die Pumpenkombinationen in einem gewissen Druckbereich,
nämlich dem gewünschten Arbeitsbereich der Anlage, eine hohe volumetrische Saugleistung
besitzen, während bei höheren oder niedrigeren Ansaugdrücken die volumetrische Saugleistung
geringer sein kann. Sofern der gewünschte Arbeitsbereich bei Drücken unter 10 Torr
liegt, können Pumpenkombinationen verwendet werden, die aus einer Hintereinanderschaltung
von einem oder mehreren Drehkolbengebläsen, z. B. nach dem Rootsprinzip mit einer
rotierenden Ölluftpumpe, vornehmlich einer Gasballastpumpe, bestehen. Bei solchen
Pumpenkombinationen ist es nun erforderlich, die Anlage, aus der bei einem gewissen
Arbeitsdruck Gas- oder Dampfmengen abgesaugt werden sollen, zunächst bis auf diesen
Arbeitsdruck zu evakuieren. Ein bekanntes Verfahren hierzu ist beispielsweise das
folgende: Das Drehkolbengebläse und die Vorpumpe werden durch getrennte Motoren
angetrieben, und das Drehkolbengebläse ist durch eine Leitung überbrückt, die mit
einem Ventil verschlossen werden kann. Bei der Inbetriebnahme wird zunächst nur
die Vorpumpe angeschaltet und das Ventil in der Überbrückungsleitung geöffnet. Nachdem
der Arbeitsbereich erreicht ist, wird auch das Drehkolbengebläse eingeschaltet und
das Ventil geschlossen. Das Schließen des Ventils und das Anschalten des Drehkolbengebläses
können beispielsweise durch vom Druck gesteuerte Schaltmittel automatisch erfolgen.
So wurde z. B. bereits vorgeschlagen, auf der Höchvakuumseite eine druckempfindliche
Schalteinrichtung anzuordnen, die das Ventil in der Überbrückungsleitung schließt,
sobald ein bestimmter Druck auf der Saugseite der Hochvakuumpumpe unterschritten
wird, und gleichzeitig die Hochvakuumpumpe zuschaltet.
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Dieses Verfahren hat jedoch folgende Nachteile: Bei automatischer
Betätigung ist ein verhältnismäßig hoher Aufwand für die druckabhängige Schaltung
von Ventil und Drehkolbengebläse erforderlich. Es ist äußerst schwierig, in den
sehr niedrigen Druckbereichen auf der Hochvakuumseite einen zuverlässig arbeitenden
Druckschalter anzuordnen, da als Meßgröße nur der Druckunterschied zwischen dem
konstanten Atmosphärendruck und dem sich in sehr niedrigen Druckbereichen ändernden
Ansaugdruck der Hochvakuumpumpe zur Verfügung steht. Eine Bedienung von Hand ist
umständlich und schließt Fehlermöglichkeiten ein. Die gleichzeitige Einschaltung
von Drehkolbengebläse und rotierender Vorpumpe ist nicht ohne weiteres möglich.
Für die Drücke an der Saugseite des Drehkolbengebläses und der Vorpumpe gilt nämlich
nach dem Boyle Mariotteschen Gesetz: P1 . S1 = P2 . S2 .
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Pl = Druck an der Saugseite des Drehkolbengebläses, P2 = Druck an
der Saugseite der Vorpumpe, Si = volumetrische Saugleistung des Drehkolbengebläses,
S2 = volumetrische Saugleistung der Vorpumpe. Daraus folgt für die Druckdifferenz
zwischen Ansaugseite und Auspuffseite des Drehkolbengebläses
d. h. daß die Druckdifferenz dem Druck auf der Saugseite des Gebläses proportional
ist, d. h. wiederum, daß bei hohen Ansaugdrücken, wie sie bei der ersten Evakuierung
von Atmosphärendruck an vorkommen, sehr hohe Druckdifferenzen zwischen Ansaug- und
Auspuffstutzen des Drehkolbengebläses auftreten. Diese hohen Druckdifferenzen bringen
folgende Nachteile mit sich: 1. Das Gebläse wird überlastet; 2. der Antriebsmotor
des Gebläses wird überlastet, da die Leistungsaufnahme des Gebläses dem Produkt
aus Druckdifferenz und volumetrischer Saugleistung proportional ist.
Wollte
man diesen Nachteilen durch eine stärkere Auslegung von Drehkolbengebläse und Antriebsmotor
begegnen, so wäre eine sehr starke Überdimensionierung beider Teile erforderlich,
so daß hierdurch die Wirtschaftlichkeit im eigentlichen Arbeitsbereich, in dem nur
sehr geringe Druckdifferenzen auftreten, in Frage gestellt würde.
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Es sind bereits Anordnungen bekannt, bei denen ein Schutz des Gebläses,
der Hochvakuumstufe vor Überlastung dadurch angestrebt wurde, daß ein Überdruckventil
in der Leitung zwischen Hochvakuumstufe und Vorpumpe angeordnet ist, das beim Ansteigen
des Druckes in dieser Leitung über Atmosphärendruck nach der Außenluft hin öffnet.
Hierdurch ist jedoch ein, zuverlässiger Schutz nicht zu erreichen, da durchaus Betriebszustände
möglich sind, bei denen in der Leitung zwischen Hochvakuumstufe und Vorpumpe der
Druck nicht über Atmosphärendruck ansteigt, aber trotzdem die Druckdifferenz am
Gebläse so groß ist, daß beispielsweise bei einem Rootsgebläse der zulässige Wert
überschritten und eine Zerstörung durch Festlaufen herbeigeführt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bisher bekannten Anordnungen
zu beseitigen und eine Vakuumpumpenkombination so auszubilden, daß das Gebläse der
Hochvakuumstufe sowohl bei Inbetriebnahme als auch während des Betriebes mit Sicherheit
vor dem Auftreten einer unzulässig hohen Druckdifferenz geschützt wird.
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Erfindungsgemäß wird dieses dadurch erreicht, daß bei einer Vakuumpumpenkombination,
die aus mindestens einer Hochvakuumpumpe und einer Vorpumpe in Reihenschaltung besteht,
eine mindestens eine Hochvakuumpumpe überbrückende Druckausgleichsleitung, die Saug-
und Druckseite der Hochvakuumpumpe -miteinander verbindet, mit einem an sich bekannten
feder- oder gewichtsbelasteten Differenzdruckventil derart versehen ist, daß ein
Teilstrom des von . der Hochvakuumpumpe geförderten Mediums durch diese Druckäusgleichsleitung
umgewälzt wird, wenn die Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckseite der überbrückten,
während des Evakuierungsvorganges dauernd in Betrieb gehaltenen Hochvakuumpumpe
einen vorgegebenen zulässigen Druckwert überschreitet.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt also zwischen Einlaß-
und Auslaßseite des Drehkolbengebläses ein teilweiser Druckausgleich, während die
bereits vorbekannte Überbrückungsleitung lediglich eine Umwegführung darstellt,
durch die, bei abgeschaltetem Drehkolbengebläse der Hochvakuumstufe, die Vorvakuumpumpe
unmittelbar an den Rezipienten gelegt wird. Mit der bekannten Überbrückungsleitung
ist jedoch bei der Feinevakuierung keinerlei Druckausgleich zwischen Ansaug- und
Auslaßseite der Hochvakuumstufe möglich.
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Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau von Drehkolbengebläse und Vorpumpe
können dagegen Drehkolbengebläse und Vorpumpe gleichzeitig eingeschaltet und während
des gesamten Betriebes in diesem Zustand belassen werden, da sich bei hohen Ansaugdrücken
das Ventil in der Druckausgleichsleitung öffnet und die Druckdifferenz zwischen
Hoch- und Vorvakuumseite des Drehkolbengebläses und damit die thermische Belastung
der Rotoren sowie die Motorbelastung auf einen maximalen Wert begrenzt, der sich
aus der volumetrischen Saugleistung des Drehkolbengebläses sowie der Vorpumpe und
der durch geeignete Mittel am Ventil einstellbaren, maximal zulässigen Druckdifferenz
ergibt. Auf das Differenzdruckventil wirkt im Gegensatz zu den bei Vakuumpumpen
bisher bekannten Drucksteuerorganen nur die durch die erfindungsgemäße Anordnung
zu begrenzende Druckdifferenz und steuert das Öffnen und Schließen des Ventils.
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Abb. 1 zeigt eine beispielsweise Anordnung gemäß dieser Erfindung.
Von dem Ansaugstutzen 1 des Drehkolbengebläses 2 führt eine Leitung 3 auf die Vorvakuumseite
4 des Gebläses. An dieser Vorvakuumseite 4 ist die rotierende Ölluftpumpe 5 als
Vorpumpe angeschlossen. In die Leitung 3 eingeschaltet ist eine Ventilklappe 6,
die in an sich bekannter Weise durch ihr Eigengewicht auf dem Ventilsitz 7 ruht.
Überschreitet im Betrieb die Druckdifferenz d p zwischen Vorvakuumstutzen
4 und Ansaugstutzen 1 den Quotienten aus dem Gewicht der Ventilklappe 6 und dem
freien Durchlaß des Ventilsitzes 7, so hebt sich die Ventilklappe 6 an, und der
Druck kann sich so weit ausgleichen, daß die Druckdifferenz den angegebenen Wert
nicht überschreiten kann. Dieser Wert läßt sich im gegebenen Beispiel durch Wahl
des Plattengewichtes einstellen.
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Eine weitere Anordnung gemäß der Erfindung zeigt die Abb. 2, bei der
die Ventilklappe 6 statt durch. ihr Gewicht in an sich bekannter Weise durch eine
Feder 8 auf den Ventilsitz 7 gedrückt wird.
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Bei Hintereinanderschaltung von mehreren Drehkolbengebläsen kann jedes
dieser Drehkolbengebläse durch eine derartige Leitung mit feder- oder gewichtsbelasteter
Klappe überbrückt werden, oder es können auch die sämtlichen hintereinandergeschalteten
Gebläse durch eine Leitung überbrückt werden, die vom Ansaugstutzen des beim niedrigsten
Ansaugdruck arbeitenden Drehkolbengebläses zum Ansaugstutzen der rotierenden Vorpumpe
führt.
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Bei einer Anordnung gemäß der Erfindung können beide Gebläse von einem
gemeinsamen Motor betrieben werden. Ebensogut können sie natürlich auch, wenn das
bei größeren Einheiten wünschenswert ist, von zwei getrennten Motoren betrieben
werden. Von den bekannten Anordnungen zeichnet sich die beschriebene durch große
Einfachheit und Betriebssicherheit aus, da keine handbetätigten oder elektrischen
Steuerorgane erforderlich sind und da auch druckgesteuerte Schalter vermieden werden.