DE202009003980U1

DE202009003980U1 - Vakuumpumpe

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Publication number: DE202009003980U1
Application number: DE202009003980U
Authority: DE
Original assignee: Vacuubrand GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuubrand GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: DE102010009083A1; DE102010009083B4

Abstract

Vakuumpumpe mit
einer ersten Pumpstufe (1) und einer zweiten Pumpstufe (2),
wobei die beiden Pumpstufen (1, 2) hintereinander geschaltet sind und die erste Pumpstufe (1) vakuumseitig und die zweite Pumpstufe (2) druckseitig angeordnet ist und wobei die zweite Pumpstufe (2) als Membranpumpstufe mit mindestens einer Membranpumpeneinheit (10) ausgeführt und so dimensioniert ist, daß die zweite Pumpstufe (2) mindestens 20% des Saugvermögens der Vakuumpumpe bei Atmosphärendruck (Normalbedingungen) bereitstellt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Pumpstufe (1) als Schraubenpumpstufe mit mindestens einer Schraubenpumpeneinheit (5) ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine im Schöpfraum ölfrei und berührungslos laufende Vakuumpumpe mit einem Endvakuum im Bereich 10² Pa bis 10^–2 Pa (Feinvakuumbereich) mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Zahlreiche Prozesse in Forschung und Industrie erfordern ein Vakuum im Bereich 10² Pa bis 10^–2 Pa, wobei häufig auch kondensierende und/oder aggressive Dämpfe oder Gase gefördert werden müssen. Zur Erzeugung eines Vakuums in diesem Bereich werden oft flüssigkeitsgedichtete oder -geschmierte Vakuumpumpen wie beispielsweise ölgedichtete Drehschieberpumpen eingesetzt. Die Verwendung von solchen Pumpen, bei denen das gepumpte Medium mit Öl oder anderen Flüssigkeiten in Berührung kommt, hat zahlreiche Nachteile. So können die gepumpten Medien den Schmierstoff verunreinigen oder mit ihm reagieren, was die Schmier- und Dichtwirkung herabsetzt. Rückströmung von gasförmigen Komponenten oder Zersetzungsprodukten des Schmierstoffes in die Prozeßanlage kann die dortigen Prozesse empfindlich stören.
Aus diesem Grund werden seit langem sogenannte ”trockene” Vakuumpumpen, also Pumpen, bei denen die gepumpten Medien nicht mit Flüssigkeit in Berührung kommen, sehr geschätzt.
Bei höheren Drücken, d. h. im Bereich 10⁵ Pa bis 10² Pa, sind Membranvakuumpumpen ( DE-C-199 04 350 ) vorteilhaft, da dort der Schöpfraum durch eine gasdicht eingespannte Membran hermetisch vom Antriebsbereich abgetrennt ist und sich – für Chemie-Anwendungen – die medienberührten Teile der Pumpe aus chemisch beständigen Materialien wie beispielsweise Fluorkunststoffen herstellen lassen. Membranvakuumpumpen sind sowohl für Chemie- wie auch Nicht-Chemie-Anwendungen sehr verbreitet, da sie zuverlässig und robust sind und sich auch gerade für kleine Saugvermögen im Bereich 1 bis 15 m³/h, beispielsweise für Laboranwendungen, preiswert herstellen lassen. Durch ein begrenztes Verdichtungsverhältnis und die meist nur durch die Gasströmung betätigten Ventile lassen sich jedoch Drücke unterhalb 50 Pa nur schwer erreichen. Dieses Vakuum ist für Anwendungen, die Feinvakuum benötigen, nicht ausreichend.
Kolbenpumpen erreichen durch ihr höheres Verdichtungsverhältnis und die einfache Möglichkeit, den Gasein- und auslaß durch den Kolben selbst zu steuern, Enddrücke im Feinvakuum bis zu 1 Pa. Die Kolbendichtung ist jedoch eine gleitende Dichtung. Solche Dichtungen weisen eine vergleichsweise hohe Leckrate auf, d. h. der Schöpfraum ist nicht hermetisch vom Antriebsraum (mit beispielsweise fettgeschmierten Lagern) getrennt. Dies kann sowohl eine Verunreinigung der gepumpten Medien durch Öle oder Fette, als auch Korrosion im Antriebsraum infolge aggressiver gepumpter Medien hervorrufen. Darüber hinaus reagieren diese Dichtungen empfindlich auf Kondensate und Partikel. Zudem lassen sich Kolbendichtungen nur schwierig mit der benötigten Präzision herstellen und weisen nur begrenzte Lebensdauer auf.
Eine weitere verbreitete Bauart von Feinvakuumpumpen sind Scrollpumpen. Diese beruhen auf dem Fördern des Mediums in sichelförmigen Volumina, die durch einen im Querschnitt spiralförmigen, in axialer Richtung achsparallelen Rotor im Eingriff mit einen gleichartigen spiralförmigen Stator gebildet werden. Die bewegliche Spirale wird durch einen exzentrischen Antrieb sowie einen Mechanismus, der die Spirale am Mitdrehen hindert, in eine orbitierende Bewegung versetzt.
Nachteilig ist, daß zur Erzielung der gewünschten vakuumtechnischen Daten schleifende Dichtungen an den Stirnseiten der Spiralen notwendig sind. Diese Dichtungen reagieren empfindlich auf Kondensate und Partikel und weisen nur eine begrenzte Lebensdauer auf. Darüber hinaus wird im Schöpfraum nach einiger Betriebszeit Abrieb von den schleifenden Dichtungen in Form von Staub beobachtet, der sowohl die Funktion der Pumpe selbst als auch angeschlossene Prozesse stören kann. Dieser Nachteil läßt sich durch die Kombination einer Scrollpumpe mit einer Membranpumpe als Vorpumpe vermeiden ( DE-A-102 25 774 ; DE-A-10 2005 042 451 ). Die insoweit bekannten Anordnungen sind jedoch vergleichsweise aufwendig.
Eine weitere verbreitete Bauart von Feinvakuumpumpen beruht auf Wälzkolbenpumpen, auch Rootspumpen genannt. Zwei 8-förmige Kolben wälzen berührungslos, d. h. ohne schleifende Dichtungen wie in einer Kolben- oder Scrollpumpe, in einem geeignet geformten Gehäuse synchron aneinander ab, wodurch Gas vom Einlaß zum Auslaß gefördert wird. Mit einer solchen Anordnung lassen sich Verdichtungsverhältnisse von etwa 10–30 erzielen. Für die Feinvakuumerzeugung ist daher auch hier eine Vorpumpe oder ein mehrstufiger Aufbau erforderlich. Nachteilig ist der aufwendige Aufbau solcher mehrstufiger Anordnungen sowie die engen mechanischen Toleranzen, die bei der Fertigung und im Betrieb einzuhalten sind. Zudem reagieren solche Anordnungen empfindlich auf Kondensate, aggressive Medien oder Partikel.
Ähnliches gilt für Klauenpumpen ( GB 429,171 ), die allerdings ein Verdichtungsverhältnis von etwa 50 erreichen können, also mit einer kleineren Anzahl von Stufen als Rootspumpen auskommen. Auch Klauenpumpen weisen zwei berührungslos synchron aneinander ablaufende Rotoren auf. Sie sind besonders für größere Saugvermögen (>50 m³/h) verbreitet. Für kleinere Saugvermögen sind die Anforderungen an die Spaltmaße zu hoch für eine wirtschaftliche Realisierung. Dies liegt daran, daß bei einer Verkleinerung der Rotoren die relativen Rückströmungsverluste durch die Spalte, die zwischen den Rotoren sowie zwischen den Rotoren und dem Gehäuse bestehen, immer größer werden. Zugleich können diese Spaltmaße nicht beliebig verkleinert werden, zum einen wegen fertigungstechnischer Begrenzungen, zum anderen wegen der Materialausdehnung durch die – gerade bei Verdichtung bis auf Atmosphärendruck – unvermeidliche Temperaturerhöhung infolge der Kompression der Gase. Dies führt dazu, daß eine Klauenpumpe mit <50 m³/h maximalem Saugvermögen kaum kompakter und preiswerter herzustellen wäre als eine deutlich größere.
Zur Reduzierung einer störenden Erwärmung insbesondere beim Abpumpen von Gasen mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist es bekannt, eine Rootspumpe oder eine Klauenpumpe mit einer Zusatzpumpe zu kombinieren ( EP-A-1 243 795 ).
Eine weitere verbreitete Bauart von Feinvakuumpumpen sind Schraubenpumpen ( DE-C-594 691 ). Bei Schraubenpumpen laufen zwei schraubenförmige Rotoren berührungslos in einem geeignet geformten, den Schöpfraum bildenden Gehäuse aneinander ab, wodurch Gas vom Einlaß zum Auslaß gefördert wird. Der Antrieb der Rotoren erfolgt durch zwei synchron laufende Motoren ( DE-A-195 22 560 ) oder durch ein Mittel zum Antrieb und zur Synchronisation der Rotoren ausgehend von einer einzelnen Antriebswelle.
Schraubenpumpen sind besonders für größere Saugvermögen (>100 m³/h) verbreitet. Für kleinere Saugvermögen bzw. Baugrößen sind die Anforderungen an die Spaltmaße zu hoch für eine wirtschaftliche Realisierung, aus ähnlichen Gründen wie bei Klauenpumpen. Vorteil der Schraubenpumpen im Vergleich zu Roots- oder Klauenpumpen ist die hohe mögliche Verdichtung, da Schraubenpumpen intrinsisch vielstufig aufgebaut werden können, wobei jeder Schraubengang als Stufe wirkt. Damit bieten Schraubenpumpen die Möglichkeit, mit nur einem Rotorpaar ein tiefes Endvakuum zu erzielen. Bei nur einem Rotorpaar ist auch eine sogenannte fliegende Lagerung dieses Rotorpaars möglich. D. h. die Rotoren sind nur einseitig gelagert, was eine einfache Demontage des Stators (Gehäuseteil) z. B. für Wartungs- und Reinigungszwecke erlaubt.
Wie oben erwähnt, werden Klauen- und Schraubenpumpen derzeit nur für größere Saugvermögen (>50 m³/h) angeboten, da bei kleineren Pumpen die relativen Rückströmungsverluste und auch die thermischen Probleme bei Kompression auf Atmosphärendruck mit der damit verbundenen Materialausdehnung für eine wirtschaftliche Realisierung zu groß werden.
Für kleinere Saugvermögen (<50 m³/h) stehen für eine ölfreie Feinvakuumerzeugung somit Scrollpumpen, Kolbenpumpen und vielstufige Rootspumpen zur Verfügung, mit den jeweils oben geschilderten Nachteilen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine im Schöpfraum trocken und ohne schleifende Dichtungen arbeitende Vakuumpumpe für den Bereich bis Feinvakuum mit einem Saugvermögen <50 m³/h anzugeben. Bevorzugt soll die Vakuumpumpe auch kompakt und wirtschaftlich herzustellen und zu betreiben sein.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist gelöst bei einer zweistufigen Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch das Merkmal des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1. Erfindungsgemäß ist bei der zweistufigen Pumpe die erste Pumpstufe eine Schraubenpumpstufe, während die zweite Pumpstufe, die druckseitig angeordnet ist, eine Membranpumpstufe ist. Die Membranpumpstufe ist dabei relativ zur Schraubenpumpstufe so dimensioniert, daß sie mindestens 20% des Saugvermögens der Vakuumpumpe bei Atmosphärendruck (Normalbedingungen) bereitstellt. Es soll sich also um eine als eigenständige Pumpstufe wirkungsvolle Einheit handeln. Bevorzugt sollte die Mem branpumpstufe bis zu 50% des Saugvermögens der Vakuumpumpe bei Atmosphärendruck (Normalbedingungen) leisten können.
Durch die druckseitig angeordnete Membranpumpstufe wirkt diese als wirkungsvolle Vorvakuumpumpe für die Schraubenpumpstufe. Dies bringt mehrere Vorteile mit sich. Die Kompression der Gase und Dämpfe auf Atmosphärendruck erfolgt nicht innerhalb der Schraubenpumpstufe, sondern innerhalb der Membranpumpstufe, wodurch eine übermäßige Freisetzung von Kompressionswärme und damit Temperaturerhöhung innerhalb der Schraubenpumpstufe vermieden wird. Darüber hinaus erfolgt beim Pumpen von kondensierbaren Dämpfen eine eventuell auftretende Kondensation nicht in der empfindlicheren Schraubenpumpstufe, sondern in der robusteren Membranpumpstufe. Auch die Ablagerung von Feststoffen aus gepumpten Medien innerhalb der Schraubenpumpstufe wird reduziert.
Die Schraubenpumpstufe muß bei tiefen Drücken nur auf das Endvakuum der Membranpumpstufe verdichten, das in der Größenordnung von 50 bis 10³ Pa liegt. Bei diesen niedrigen Drücken sind Rückströmungseffekte durch die Spalte zwischen den Rotoren sowie zwischen Gehäusewand und den Rotoren bereits deutlich verringert. Dies erlaubt die Gestaltung der Rotoren mit vergleichsweise größeren Spalten, was sich positiv auf die Herstellbarkeit der Komponenten, deren Kosten, und auf die Anforderungen bezüglich der Thermik bzw. der Kühlung auswirkt.
Bei einem angestrebten Endvakuum von <1 Pa und einem – von der Membranpumpstufe bereitgestellten – Vorvakuum von 50 bis 10³ Pa muß die Schraubenpumpstufe nur eine Verdichtung von etwa 50–1000 erbringen, anstelle der vollständigen Verdichtung bis Atmosphärendruck (>10⁵). Dadurch genügen für die – im Vergleich zu einer Membranpumpstufe – aufwendigere Schraubenpumpstufe weniger ”Stufen”, also Schraubengänge, als ohne Vorpumpe.
Wenn man von einer Membranpumpstufe mit gutem Endvakuum <100 Pa ausgeht kommt man mit einer überraschend geringen Anzahl von Schraubengängen in der Schraubenpumpstufe aus, um das angestrebte Endvakuum im Feinvakuumbereich zu erreichen. Damit kann man die schraubenförmigen Rotoren der Schraubenpumpeneinheit so kurz ausführen, daß sich diese mit geringem Auf wand fliegend lagern lassen (einseitige Lagerung). Das hat einen erheblichen Vorteil – nicht nur für Montage und Demontage – sondern auch für Reinigungs- und Reparaturzwecke (siehe beispielsweise DE-A-195 22 560 ).
Die bevorzugte Ausgestaltung mit fliegend gelagerten schraubenförmigen Rotoren ist insbesondere für Anwendungen mit kondensierenden Dämpfen oder aggressiven Gasen vorteilhaft.
Für solche Anwendungen wird die Membranpumpstufe bevorzugt als Chemie-Membranpumpstufe ausgelegt, bei der die medienberührten Oberflächen aus chemisch beständigen Materialien wie beispielsweise Fluorkunststoffen oder Perfluorelastomeren hergestellt sind, oder bei geringeren Anforderungen aus entsprechend angepaßten Materialien.
Für die Schraubenpumpstufe empfiehlt es sich unter diesen Randbedingungen ebenfalls, daß deren medienberührte Oberflächen mindestens zum Teils aus hochbeständigen Fluorkunststoffen, wie beispielsweise PTFE, ETFE, ECTFE, PFA, vorzugsweise verstärkt durch Füllstoffe wie beispielsweise Kohlenstoffpartikel, Kohlefasern oder andere Kunstfasern, bestehen. Alternativ kommen auch andere chemisch beständige, ebenfalls vorzugsweise verstärkte Kunststoffe wie beispielsweise PEEK, PPS, PP oder PE in Frage.
Eine weitere Alternative sind keramische Werkstoffe oder Metalle mit chemisch beständiger Beschichtung aus den oben angegebenen Kunststoffen. Derartige Werkstoffe weisen im allgemeinen eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit und teilweise auch deutlich höhere thermische Ausdehnungskoeffizienten als übliche metallische Werkstoffe wie Aluminium auf, die meist für Nicht-Chemie-Anwendungen verwendet werden.
Die Verwendung chemisch beständiger Werkstoffe für die Schraubenpumpstufe wird durch die Vorpumpe mit deren positiven Auswirkungen auf die zulässigen Spaltmaße und die thermischen Verhältnisse in der Schraubenpumpstufe erheblich begünstigt, wenn nicht sogar erst möglich gemacht.
Für Anwendungen mit kondensierenden Medien ist die erfindungsgemäße Vakuumpumpe bevorzugt so ausgelegt, daß der Auslaß der Schraubenpumpstufe an der tiefsten Stelle oder nahe der tiefsten Stelle angebracht ist, damit Kondensate leicht aus dem Schöpfraum der Schraubenpumpstufe bzw. der Schraubenpumpeneinheit herausgefordert werden können.
Für Anwendungen mit kondensierenden oder aggressiven Medien ist die erfindungsgemäße Vakuumpumpe bevorzugt so ausgelegt, daß nicht nur die Membranpumpstufe einen Gasballast, also einen Einlaß für ein Spülgas, insbesondere Luft, aufweist, sondern auch die Schraubenpumpstufe, wobei die Zugabe von Spülgas in die Schraubenpumpstufe bevorzugt entweder an deren Einlaß oder in der Nähe der Wellenabdichtung erfolgt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Antriebsmotor der Schraubenpumpstufe und/oder der Antriebsmotor der Membranpumpstufe drehzahlvariabel. Eine weitere Steigerung der Flexibilität und des Leistungsvermögens der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe bei gleichzeitig hoher Kompaktheit wird durch die Ausgestaltung der Antriebseinheit mit elektronisch kommutierten Gleichspannungsmotoren erzielt. Solche Antriebsmotoren sind kompakt, leistungsstark und drehzahlregelbar. Dies erlaubt es, bei hohen Ansaugdrücken den Antriebsmotor der Membranpumpstufe mit hoher Geschwindigkeit zu betreiben, um ein hohes Saugvermögen in diesem Druckbereich zu erzielen. Die Schraubenpumpstufe arbeitet in diesem Druckbereich infolge der geringen ”Dichtwirkung” der Spalte grundsätzlich nur ineffizient, d. h. das Saugvermögen wird von der Membranpumpstufe bestimmt. Bei tieferen Drücken kann die Drehzahl des Antriebsmotors der Membranpumpstufe reduziert werden, während die Drehzahl des Antriebsmotors der Schraubenpumpstufe erhöht wird. Dies bewirkt eine volle Ausschöpfung der Leistungsfähigkeit der Schraubenpumpstufe in diesem Druckbereich und die Erreichbarkeit eines sehr tiefen Endvakuums. Gleichzeitig wird die Membranstandzeit durch die reduzierte Drehzahl des Antriebsmotors der Membranpumpstufe verlängert, da bei vielen Anwendungen nach einem kurzen Abpumpzyklus ein langer Betrieb bei tiefen Drücken folgt. Bei hohen Ansaugdrücken geht ein großer Anteil der Gesamtleistung in den Antrieb der Membranpumpstufe, bei niedrigen Ansaugdrücken dagegen in den Antrieb der Schraubenpumpstufe. Dies führt zu einem vergleichsweise konstanten mittleren Leistungsbedarf an der Gleichspannungsversorgungseinheit. Zur druck- oder prozessabhängigen Ansteuerung der Antriebseinheiten kann eine entsprechend programmierbare Steuerung vorgesehen sein.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung werden die Membran- und die Schraubenpumpstufe von einem gemeinsamen Antriebsmotor angetrieben, wobei in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung zwischen der Membran- und der Schraubenpumpstufe eine Drehzahlunterschied besteht, wobei die Schraubenpumpstufe bevorzugt mit höherer Drehzahl läuft. Das Kraftübertragungsmittel mit der Fähigkeit zur Drehzahländerung zwischen Membran- und Schraubenpumpstufe kann beispielsweise ein Getriebe, ein Zahnriemen, eine Kette oder eine Zahnkette sein. Bevorzugt ist dieses Mittel zur Drehzahländerung in das Mittel zum Antrieb und zur Drehzahlsynchronisation der beiden Rotoren integriert.
In einer anderen Ausgestaltung mit einem gemeinsamen Antriebsmotor und Drehzahlunterschied zwischen Schrauben- und Membranpumpstufe weist das Kraftübertragungsmittel eine variable Übersetzung auf, so daß beispielsweise bei hohen Ansaugdrücken die Schraubenpumpstufe langsamer laufen kann, um eine Überlastung der Schraubenpumpstufe oder des Antriebsmotors zu vermeiden, und erst bei niedrigen Ansaugdrücken läuft die Schraubenpumpstufe mit voller Drehzahl. Die Drehzahlsteuerung kann auch durch andere Parameter als den Ansaugdruck, wie beispielsweise die Motorlast (Motorstrom), die Zeit oder die Temperatur der Schraubenpumpstufe, oder durch ein externes Steuersignal, beispielsweise aus einer Prozeßsteuerung, erfolgen. Dies gilt natürlich auch für die anderen offenbarten drehzahlvariablen Antriebsausführungen.
Wie oben erwähnt, sind bei Membranvakuumpumpen maximale Saugvermögen von 1 bis 15 m³/h üblich. Zur Erhöhung des maximalen Saugvermögens der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe – ohne wesentliche Mehrkosten – bietet es sich an, eine Membranpumpstufe bevorzugt mit einer etwas größeren Schraubenpumpstufe zu kombinieren. Typischerweise wird die Schraubenpumpstufe auf das 1-bis 5-fache des maximalen Saugvermögens der Membranpumpstufe ausgelegt werden.
Bei einem mehr als 1,5-fachen Saugvermögen der Schraubenpumpstufe wird bevorzugt zwischen der Schrauben- und der Membranpumpstufe ein Überdruckventil mit Bypassleitung um die Membranpumpstufe herum vorgesehen, um die Schraubenpumpstufe keinesfalls mit hohem Überdruck an deren Auslaß zu belasten.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Einlaß/Gaseintritt der Schraubenpumpstufe mit dem Einlaß/Gaseintritt der Membranpumpstufe mittels einer Bypassanordnung mit einer Bypassleitung und mit einer Ventilanordnung derart verbunden, daß bei hohen Ansaugdrücken der Einlaß der Schraubenpumpstufe verschlossen ist und das zu fördernde Medium direkt von der Membranpumpstufe gefördert wird. Dadurch wird die Belastung der Schraubenpumpstufe mit ggf. kondensierenden oder aggressiven Medien weiter vermindert, ohne daß das Saugvermögen der Gesamtanordnung bei hohen Drücken wesentlich nachteilig beeinflußt wird. Bei tiefen Ansaugdrücken, bevorzugt bei <5 × 10⁴ Pa, wird die Bypassleitung geschlossen und das Gas von der Schraubenpumpstufe vorverdichtet, bevor es in die Membranpumpstufe gelangt. Somit bleibt das Saugvermögen bei <5 × 10⁴ Pa sowie das Endvakuum unbeeinflußt im Vergleich zur Anordnung ohne Bypassleitung. In einer weiteren Ausführungsform wird bei hohen Ansaugdrücken nicht nur der Einlaß, sondern der Einlaß und der Auslaß der Schraubenpumpstufe verschlossen, um ein Eindringen von Gasen auch von der Auslaßseite in die Schraubenpumpstufe zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der obigen Anordnung wird der Einlaß/Gaseintritt der Schraubenpumpstufe bei hohen Drücken nicht verschlossen, sondern zur Atmosphäre oder zu einem Spülgasanschluß über eine Düse mit reduziertem Querschnitt geöffnet, um den Schöpfraum der Schraubenpumpstufe zu spülen und eventuell vorhandene flüssige oder feste Rückstände vorangegangener Abpumpvorgänge auszutreiben. Die Düse mit reduziertem Querschnitt im Vergleich zum Ansaugstutzen bewirkt, daß typischerweise nicht mehr als 10% des Saugvermögens der Membranpumpstufe in Form von Spülgas zugeführt wird. Das für die Anwendung zur Verfügung stehende Saugvermögen der Membranpumpstufe wird also nur unwesentlich verringert. Der Auslaß/Gasaustritt der Schraubenpumpstufe muß in diesem Fall geöffnet bleiben.
Die Abdichtung des Schöpfraums der Schraubenpumpstufe an den Wellen gegen Atmosphäre erfolgt bevorzugt mit Wellendichtringen, wobei diese bevorzugt trockenlaufend, also ohne Schmiermittel, ausgebildet sind. Mögliche geeignete Materialpaarungen für solche trockenlaufenden Dichtringe sind beispielsweise PTFE auf gehärtetem, ggf. poliertem Stahl oder PTFE auf diamantähnlichen Kohlenstoffschichten oder anderen Beschichtungen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Wellendichtringe paarweise hintereinander angeordnet, wobei bevorzugt zwischen den Wellendichtringen ein Zwischenvakuum angelegt wird, welches beispielsweise durch Verbindung mit einer der Stufen der – meist mehrstufig aufgebauten – Membranpumpstufe bereitgestellt wird.
In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Abdichtung des Schöpfraums der Schraubenpumpstufe an den Wellen gegen Atmosphäre durch enge Spalte oder eine sogenannte Labyrinthdichtung. Dabei handelt es sich um eine Anordnung mit engen Spalten, bei der die Leckrate durch die Spalte hinreichend klein ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen zweistufigen Vakuumpumpe mit getrennten Antriebsmotoren,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel ähnlich 1, jedoch mit einem gemeinsamen Antriebsmotor,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel ähnlich 2 versehen mit einer Bypassanordnung und
4 in vergrößerter Darstellung, ebenfalls schematisch vereinfacht, ein besonderes Ausführungsbeispiel einer Wellendichtung für einen schraubenförmigen Rotor einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe.
Erfindungsgemäß geht es um eine Vakuumpumpe mit zwei Pumpstufen unterschiedlicher Ausgestaltung, wobei jede der beiden Pumpstufen ihrerseits wieder mehr als eine Pumpeneinheit aufweisen kann.
Die ein erstes Ausführungsbeispiel zeigende 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe. Diese besteht aus der Kombination einer ersten, vakuumseitig angeordneten, also einem Rezipienten zugewandten Pumpstufe 1, hier dargestellt als Schraubenpumpstufe 1, die wiederum aus mehreren Schraubenpumpeinheiten bestehen kann, sowie einer zweiten, druckseitig angeordneten, also der Umgebungsatmosphäre zugewandten Pumpstufe 2, hier in Form einer Membranpumpstufe 2, die aus mehreren Membranpumpeinheiten bestehen kann. Die Schraubenpumpstufe 1 weist einen Antriebsmotor 3, z. B. einen Elektromotor, ein Kraftübertragungsmittel 4 zur Lagerung, Antrieb und Synchronisation und die eigentliche Schraubenpumpeneinheit 5, bestehend aus einem Stator 6 sowie zwei miteinander kämmenden schraubenförmigen Rotoren 7a und 7b auf. Gas tritt am Gaseintritt 8 ein, wird durch die Rotation der beiden schraubenförmigen Rotoren 7a, 7b im Stator 6 verdichtet und tritt am Gasaustritt 9 aus.
Das vorverdichtete Gas tritt vom Gasaustritt 9 in die Membranpumpstufe 2 ein, welche mindestens eine Membranpumpeneinheit 10 und einen Antriebsmotor 11, wie beispielsweise einen Elektromotor, aufweist. Das auf Atmosphärendruck verdichtete Gas tritt am Gasaustritt 12 aus.
Die ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigende 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe mit einem gemeinsamen Antriebsmotor 3 und einer externen Bypassleitung 13 zur Umgehung der Membranpumpeneinheit 10. Die Vakuumpumpe besteht wiederum aus der Kombination einer Schraubenpumpstufe 1 mit einer Membranpumpstufe 2. Die komplette Vakuumpumpe wird von einem gemeinsamen Antriebsmotor 3 angetrieben, wobei in diesem speziellen Ausführungsbeispiel die Antriebsleistung z. B. mittels einer durchgehenden rotierenden Welle durch die Membranpumpeneinheit 10 in das Kraftübertragungsmittel 4 übertragen wird. Das Kraftübertragungsmittel 4 dient in diesem Falle sowohl zur Lagerung, Antrieb und Synchronisation der beiden Rotoren 7a, 7b, als auch zur Kraftübertragung von der Membranpumpeneinheit 10 auf die Schraubenpumpeneinheit 5. Das Kraftübertragungsmittel 4 könnte hier, wie auch im obigen Falle, zur Kraftübertragung und Synchronisation der Rotoren 7a, 7b beispielsweise ein Getriebe, einen Zahnriemen, eine Kette oder eine Zahnkette enthalten.
Die eigentliche Schraubenpumpeneinheit 5 besteht aus dem Stator 6 und den beiden paarweise angeordneten schraubenförmigen Rotoren 7a, 7b. Das Gas tritt vom Rezipienten am Gaseintritt 8 in die Schraubenpumpstufe 1 bzw. die Schraubenpumpeneinheit 5 ein und wird durch die Rotation der beiden schraubenförmigen Rotoren 7a, 7b im Schöpfraum innerhalb des Stators 6 verdichtet. Das Gas tritt am Gasaustritt 9 aus der Schraubenpumpstufe 1 aus und in die Membranpumpstufe 2 ein. Der Gasaustritt 9 ist also gleichzeitig Gaseintritt der Membranpumpeneinheit 10 der Membranpumpstufe 2. In der Membranpumpeneinheit 10 wird das Gas auf Atmosphärendruck verdichtet und tritt am Gasaustritt 12 in die Atmosphäre, den Außenraum, aus.
Anders als in 1 ist bei dem Ausführungsbeispiel in 2 eine Bypassleitung 13 mit einer integrierten Vorrichtung zur Vermeidung von Überdruck, nämlich einem Rückschlagventil 14, vorgesehen. Die Bypassleitung 13 führt von der Verbindung zwischen den beiden Pumpstufen 1, 2 am Gasaustritt 9 zum Gasaustritt 12 der Membranpumpeneinheit 10. Bei aktivierter Bypassleitung 13 wird die Membranpumpeneinheit 10 also umgangen.
Im Falle eines Überdrucks am Gasaustritt 9 der Schraubenpumpstufe 1 öffnet das Rückschlagventil 14 und verhindert so eine Überlastung der Schraubenpumpstufe 1. Die Bypassanordnung 13, 14 wird bevorzugt bei Ausführungen mit einem größeren Saugvermögen der Schraubenpumpstufe 1 als dem der Membranpumpstufe 2 eingesetzt und ist natürlich auch auf Ausführungsformen mit getrennten Antriebsmotoren anwendbar.
Die ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigende 3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe mit einem gemeinsamen Antriebsmotor 3 sowie externer Bypassleitung 16 an der Schraubenpumpstufe 1. Die Vakuumpumpe besteht wiederum aus der Kombination einer Schraubenpumpstufe 1 mit einer Membranpumpstufe 2. Die komplette Vakuumpumpe wird von einem gemeinsamen Antriebsmotor 3 angetrieben, wobei in diesem speziellen Ausführungsbeispiel die Antriebsleistung z. B. in Form einer rotierenden Welle durch die Membranpumpeneinheit 10 hindurch in das Kraftübertragungsmittel 4 übertragen wird. Das Kraftübertragungsmittel 4 dient in diesem Falle zur Lagerung, Antrieb und Synchronisation der beiden Rotoren 7a, 7b und zur Kraftübertragung vom Antriebsmotor 3 bzw. Membranpumpeneinheit 10 auf die Schraubenpumpstufe 1. Das Kraftübertragungsmittel 4 könnte auch hier zur Kraftübertragung und Synchronisation der Rotoren 7a, 7b beispielsweise ein Getriebe, einen Zahnriemen, eine Kette oder eine Zahnkette enthalten.
Der Aufbau der Schraubenpumpeneinheit 5 ist der gleiche wie im voranstehend behandelten Ausführungsbeispiel, so daß auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden darf.
Anders als im ersten und im zweiten Ausführungsbeispiel ist hier am Gaseintritt 8 der Schraubenpumpstufe 1 ein Ventil 15 angeordnet, das als Absperrventil ausgeführt ist. Vom Gaseintritt 8 zweigt eine Bypassleitung 16 ab, die durch ein weiteres Ventil 17 auf und zu gesteuert werden kann. Die Bypassleitung 16 mündet in die Verbindung der beiden Pumpstufen 1, 2 am Gasaustritt 9 der Schraubenpumpstufe 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist gemäß bevorzugter Lehre auch am Gasaustritt 9 der Schraubenpumpstufe 1 noch ein Absperrventil 18 vorgesehen.
Die Ventile 15, 17 und 18 werden von einer geeigneten Steuerung (nicht dargestellt) prozeß-, zeit- und/oder druckabhängig angesteuert. Ein typischer Abpumpvorgang könnte so aussehen, daß beim Abpumpen von Atmosphärendruck zuerst Ventile 15 und 18 geschlossen sind und Ventil 17 offen ist. Das Gas fließt folglich durch die Bypassleitung 16 direkt in den Einlaß der Membranpumpstufe 2. Sobald zum Beispiel der Druck im Prozeß hinreichend abgesenkt wurde, werden die Ventile 15 und 18 geöffnet und Ventil 17 geschlossen. Nun erfolgt der weitere Abpumpvorgang wie üblich durch die Schraubenpumpstufe 1.
Alternativ ist es auch möglich, auf das Ventil 18 zu verzichten. In diesem Falle ist auch ein zusätzlicher Gaseinlaß in die Schraubenpumpstufe 1 zur Spülung derselben bei geschlossenem Ventil 15 möglich. Letztere Variante ist zeichnungsmäßig nicht dargestellt, jedoch einfach anhand der Beschreibung nachzuvollziehen.
Auch eine Kombination der verschiedenen Bypassanordnungen und der verschiedenen Antriebsanordnungen ist erfindungsgemäß möglich.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Wellenabdichtung an einem der Rotoren 7 der Schraubenpumpstufe 1, und zwar in der Ausführungsform mit zwei Wellendichtringen 21, 22 mit Zwischenvakuum. Dargestellt ist ein Rotor 7 mit einem Wellenansatz 20. Der zweite Rotor, die Lagerung sowie der Stator und alle anderen hier irrelevanten Komponenten sind zur Vereinfachung nicht darge stellt. Die Abdichtung des Schöpfraums an der Welle 20 gegen Atmosphäre erfolgt hier durch zwei hintereinander geschaltete Dichtringe 21 und 22, die in einem Gehäuse 23 sitzen. Zwischen den Dichtringen 21, 22 wird über eine Öffnung 24 ein Zwischenvakuum angelegt, indem die Öffnung 24 über eine Leitung 25 mit dem Einlaß einer der Stufen der bevorzugt mehrstufig aufgebauten Membranpumpstufe 2 (hier nicht dargestellt) verbunden wird. Dadurch erfolgt in der Praxis eine stufenweise Anhebung des Drucks von Vakuum bis Atmosphäre über die Dichtringe 21, 22, was zu einer besseren Dichtigkeit und längeren Lebensdauer der Dichtringe 21, 22 beiträgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19904350 C [0004]
- DE 10225774 A [0007]
- DE 102005042451 A [0007]
- GB 429171 [0009]
- EP 1243795 A [0010]
- DE 594691 C [0011]
- DE 19522560 A [0011, 0020]

Claims

Vakuumpumpe mit einer ersten Pumpstufe (1) und einer zweiten Pumpstufe (2), wobei die beiden Pumpstufen (1, 2) hintereinander geschaltet sind und die erste Pumpstufe (1) vakuumseitig und die zweite Pumpstufe (2) druckseitig angeordnet ist und wobei die zweite Pumpstufe (2) als Membranpumpstufe mit mindestens einer Membranpumpeneinheit (10) ausgeführt und so dimensioniert ist, daß die zweite Pumpstufe (2) mindestens 20% des Saugvermögens der Vakuumpumpe bei Atmosphärendruck (Normalbedingungen) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Pumpstufe (1) als Schraubenpumpstufe mit mindestens einer Schraubenpumpeneinheit (5) ausgeführt ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenpumpeneinheit (5) ein Paar schraubenförmiger Rotoren (7a, 7b) aufweist, die nur einseitig gelagert sind.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle medienberührten Oberflächen der Vakuumpumpe eine hohe chemische Beständigkeit gegen aggressive gepumpte Medien aufweisen, wobei, vorzugsweise, die Membranpumpstufe (2) als Chemie-Membranpumpstufe ausgeführt ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die medienberührten Oberflächen der Schraubenpumpstufe (1) mindestens zum Teil aus chemisch beständigen Fluorkunststoffen oder anderen chemisch beständigen Kunststoffen oder aus Metall mit chemisch beständiger Beschichtung aus derartigen Kunststoffen oder aus Keramik oder aus Kombinationen dieser Werkstoffe bestehen.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei betriebsbereiter Vakuumpumpe die Schraubenpumpeneinheit (5) so angeordnet ist, daß ihr Gasaustritt (9) an oder nahe der tiefsten Stelle eines im Gehäuse (6) gebildeten Schöpfraums liegt.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenpumpstufe (1) einen Einlaß für ein Spülgas, insbesondere Luft aufweist, wobei die Zugabe von Spülgas in die Schraubenpumpstufe (1) bevorzugt entweder an deren Gaseintritt (8) oder in der Nähe der Wellenabdichtung, im Falle einer Wellenabdichtung ohne Dichtring(-e) bevorzugt auf der Atmosphärenseite der Wellenabdichtung erfolgt.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenpumpstufe (1) und die Membranpumpstufe (2) jeweils eine eigene Antriebseinheit (3, 4; 11) mit einem Antriebsmotor (3) und ggf. mit einem Kraftübertragungsmittel (4) zur Drehzahländerung aufweist, daß die beiden Antriebseinheiten (3, 4; 11) mechanisch voneinander unabhängig sind und daß mindestens eine der beiden Antriebseinheiten (3, 4; 11) drehzahlvariabel ausgeführt ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine programmierbare Steuerung vorgesehen ist und daß über die Steuerung die Drehzahl von Schraubenpumpstufe (1) und Membranpumpstufe (2) derart einstellbar ist, daß in Abhängigkeit von verschiedenen Prozeßparametern, insbesondere vom Ansaugdruck und/oder von der Zeit und/oder vom Druck zwischen den Pumpstufen (1, 2), ein optimales Saugvermögen bzw. ein optimales Endvakuum bei optimaler Leistungsaufnahme erreicht wird.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenpumpstufe (1) und die Membranpumpstufe (2) von einer gemeinsamen Antriebseinheit (3, 4) mit nur einem Antriebsmotor (3) angetrieben werden.
Vakuumpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem gemeinsamen Antriebseinheit (3) und mindestens einer der Pumpstufen (1, 2) ein Kraftübertragungsmittel (4) zur Drehzahländerung vorgesehen ist, so daß die Schraubenpumpstufe (1) und die Membranpumpstufe (2) mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit (3, 4) drehzahlvariabel ausgestaltet ist.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungsmittel (4) eine variable Übersetzung aufweist.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (3) als elektronisch kommutierter Gleichspannungsmotor ausgeführt ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenpumpstufe (1) ein höheres Nennsaugvermögen als die Membranpumpstufe (2) aufweist, daß zwischen dem Auslaß der Schraubenpumpstufe (1) und dem Einlaß der Membranpumpstufe (2) eine Vorrichtung zur Vermeidung von Überdruck (14) angeordnet ist und daß bei einem bestimmten Überdruck in der Verbindung zwischen dem Auslaß der Schraubenpumpstufe (1) und dem Einlaß der Membranpumpstufe (2) die Vorrichtung (14) den Auslaß der Schraubenpumpstufe (1) mit dem Außenraum oder mit dem Gasaustritt (12) der Membranpumpstufe (2) verbindet.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bypassanordnung (15–18) vorgesehen ist und daß über die Bypassanordnung (15–18) der Gaseintritt (8) der Schraubenpumpstufe (1) mit dem Gaseintritt (9) der Membranpumpstufe (2) verbindbar ist, so daß bei hohem Ansaugdruck das geförderte Gas über die Bypassanordnung (15–18) an der Schraubenpumpstufe (1) vorbei direkt von der Membranpumpstufe (2) gefördert werden kann.
Vakuumpumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassanordnung (15–18) eine vorzugsweise ansteuerbare Ventilanordnung (15, 17, 18) aufweist, durch die die Bypassanordnung (15–18) schaltbar ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassanordnung (15–18) eine Steuerung zur Ansteuerung der Ventilanordnung (15, 17, 18) aufweist.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassanordnung (15–18) derart ausgestaltet ist, daß der Gaseintritt (8) der Schraubenpumpstufe (1) bei aktivierter Bypassanordnung (15–18) über eine Düse mit kleinem Querschnitt zum Außenraum oder zu einem Spülgasanschluß geöffnet ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Schöpfraums der Schraubenpumpeneinheit (5) an den Wellen (20) der schraubenförmigen Rotoren (7) gegen Atmosphäre mit einem oder mehreren Wellendichtringen (21, 22) erfolgt, wobei diese bevorzugt trockenlaufend, also ohne Schmiermittel, ausgebildet sind.
Vakuumpumpe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einer Welle (20) der Schraubenpumpeneinheit (5) mindestens zwei Wellendichtringe (21, 22) hintereinander angebracht sind, wobei bevorzugt zwischen mindestens einem Paar von Wellendichtringen (21, 22) ein Unterdruck erzeugbar ist, dessen Druckwert zwischen dem Druckwert am Gasaustritt (9) der Schraubenpumpstufe (1) und Atmosphärendruck liegt, und wobei, vorzugsweise, dieser Unterdruck von der Membranpumpstufe (2) erzeugt wird.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Schöpfraums der Schraubenpumpeneinheit (5) an den Wellen (20) gegen Atmosphäre ohne Wellendichtringe (20, 21), lediglich über Spaltdichtungen erfolgt.