MEHRSTUFIGE VAKUUMPUMPE
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Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine
mehrstufige Vakuumpumpe und insbesondere eine mehrstufige
Vakuumpumpe, bestehend aus einer einzigen
Kolben-Zylinderanordnung mit einem einen vergrößerten Durchmesser
aufweisenden zentralen Abschnitt, wobei ein Ende der
Anordnung und gegenüberliegende Seiten des zentralen
Abschnitts vergrößerten Durchmessers drei über
Durchgangs- bzw. Leitungsmittel miteinander verbundene Stufen
bereitstellen.
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Die australischen Patentschriften Nr. 481072 und
516210 offenbaren verschiedene Formen einer
Hubkolbenund Zylindermaschine mit einem Differentialkolben in zwei
Arbeitsräumen. Im praktischen Einsatz einer solchen
Maschine ist es üblich, mehrere Zylinder als jeweilige
Stufen einer Mehrstufenpumpe vorzusehen. Die Maschine ist
besonders gut geeignet zur Verwendung als mechanische
Vakuumpumpe unter Verwendung massiver Dichtringe oder
-manschetten anstelle von Öl oder anderen flüssigen
Schmiermitteln. Eine Vierzylinderpumpe mit zwei parallel
gekoppelten Hochvakuumzylindern, die mit einem
Mittelvakuumzylinder und einem Niedervakuumzylinder gemeinsam
in Reihe geschaltet sind, ist besonders zweckmäßig und
bietet den Vorteil, daß sie sich für Konstruktion oder
Ausgestaltung in gut ausgeglichenen oder ausbalancierten
Konfigurationen eignet. Bei bisherigen Pumpen erfolgten
die Verbindungen zwischen solchen Stufen mittels
verdeckter Durchgänge und externer Leitungen, die sich jedoch
nicht ohne weiteres in eine interne Anschluß- (porting)
und Leitungsanordnung umsetzen lassen, und zwar
insbesondere
wegen des Vorhandenseins von zwei Arbeitsräumen pro
Arbeitszylinder.
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Die US-PS 4 560 327 (BEZ, et al.) offenbart eine
Anschluß- und Leitungsanordnung für zwei benachbarte
Zylinder einer mehrstufigen Vakuumpumpe, bei welcher
mehrere Durchgänge in den Wänden der Zylinder längs
verlaufen und über jeweilige Zulässe (ports) mit den
Innenräumen der Zylinder kommunizieren. Mehrere Ausnehmungen in
Form vqn bogenförmigen Eindrückungen können in den Enden
der Zylinderwände oder in der Bodenfläche des
Zylinderkopfes angeordnet sein, und diese stehen in
Übereinstimmung mit jeweiligen Durchgängen oder Gruppen von
Durchgängen, wobei im Zylinderkopf geeignete Öffnungen, die
mit den Ausnehmungen kommunizieren, zum Zuführen oder
Abführen (Ausstoßen) von Fluid zu bzw. von den
Innenräumen der Zylinder vorgesehen sind.
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Die US-PS 4 790 726 (Balkau, et al.; übertragen auf
den Zessionär der vorliegenden Anmeldung) ist ebenfalls
auf eine Hubkolben- und Zylindermaschine gerichtet, die
als ölfreie Vakuumpumpe einsetzbar ist. Die in dieser
Anmeldung offenbarte Vakuumpumpe richtet sich auf einen
Zylinder mit einem ersten, am einen Ende geschlossenen
Abschnitt und einem an den ersten Abschnitt
anschließenden, jedoch einen kleineren Durchmesser als dieser
besitzenden zweiten Abschnitt sowie einem Kolben mit einem im
ersten Zylinderabschnitt gleitend verschiebbaren
Zylinderkopfabschnitt und einem im zweiten Zylinderabschnitt
gleitend verschiebbaren zweiten zylindrischen
Kolbenabschnitt, wobei der Kolbenkopfabschnitt eine dem
geschlossenen Zylinderende zugewandte Stirnfläche und
eine ringförmige Rückseite aufweist. Ein Gaseinlaß ist
vorgesehen zum Einführen von Gas in das Innere des ersten
Zylinderabschnitts zwischen der Stirnfläche des
Kolbenkopfabschnitts und dem geschlossenen Zylinderende bei der
Hubbewegung des Kolbens. Eine erste Ausstoßöffnung dient
zum Abführen von Gas aus dem Inneren des ersten
Zylinderabschnitts vorderhalb des Kolbenkopfabschnitts mittels
einer Pumpwirkung der Stirnfläche des
Kolbenkopfabschnitts; in der ersten Ausstoßöffnung ist ein
Einwegeventil vorgesehen, das betätigbar ist, um das Ausstoßen
oder Abführen von Gas aus dem Inneren des ersten
Zylinderabschnitts vor dem Kolbenkopfabschnitt zu ermöglichen,
während eine zweite Ausstoßöffnung für das Ausstoßen oder
Abführen von Gas aus dem Inneren des ersten
Zylinderabschnitts hinter dem Kolbenkopfabschnitt mittels der
Pumpwirkung der Rückseite des Kolbenkopfabschnitts
vorgesehen ist. Für den Kolbenkopfabschnitt sind
Dicht(ungs)mittel vorgesehen, die eine Hülse oder Manschette aus
einem reibungsarmen Werkstoff umfassen, welöher an der
Zylinderfläche des Kolbens so angeordnet ist, daß in dem
im Normalbetrieb der Pumpe auftretenden Temperaturbereich
ein mittlerer Zwischenraum oder Spalt zwischen der Hülse
und dem Zylinder erhalten bleibt, welcher Spalt eine
maximale Größe aufweist, bei welcher eine Leckage bzw.
ein Austritt von Gas an der Hülse vorbei auf einer
solchen Größe liegt, daß ein annehmbarer Vakuumgrad durch
die Pumpe erhalten werden kann. Eine ähnliche Manschette
oder Hülse ist am zweiten Kolbenabschnitt vorgesehen, und
angrenzend an das vom ersten Kolbenabschnitt entfernte
Ende der Hülse sind elastische Mittel vorgesehen, um die
Hülse in Gleiteingriff bzw. -berührung mit der Wand des
Zylinders zu zwingen. Ferner ist das Einwegeventil in der
Ausstoßöffnung mit vorspringenden Mitteln versehen, an
die sich der Kolben anzulegen vermag, um das dadurch
gesteuerte Ventil in der Ausstoßöffnung bei jedem Hub des
Kolbens zu öffnen, auch wenn der Druck innerhalb des
Zylinders zu niedrig ist, um das Ventil gegen die Kraft
der das Ventil in die normalerweise geschlossene Stellung
vorbelastenden Feder zu öffnen.
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Die US-PS 4 854 825 (BEZ, et al.) offenbart eine
ölfreie mehrstufige Vakuumpumpe, bei welcher die
Zylinder, das Kurbelgehäuse und Durchgangs- oder
Leitungsmittel in einem einzigen Gußstück geformt sind, wobei zwei
Paare von Zylindern einander in einer im wesentlichen
gemeinsamen Ebene auf gegenüberliegenden Seiten der
senkrecht zu den Achsen der Zylinder verlaufenden Achse von
Kurbelwellenlagermitteln gegenüberliegen. Jeder Zylinder
ist mit einem einen großen Durchmesser besitzenden bzw.
weiten Abschnitt, dem Zylinderkopf benachbart, und einem
einen kleineren Durchmesser besitzenden bzw. dünneren
9 Abschnitt nahe der Achse der Kurbelwelle versehen. Ein
Stufenkolben ist in jeder Hülse hin- und hergehend
geführt und wirkungsmäßig mit einer im Kurbelgehäuse
rotierenden Kurbelwelle verbunden. Ein Paar von Kolben-
Zylinderanordnungen wird als die Hochdruckpumpanordnungen
angesehen, während das andere Paar von
Kolben-Zylinderanordnungen als die Niederdruckpumpanordnungen
vorausgesetzt ist. Obgleich eine solche Vakuumpumpe äußerst
niedrige Drücke zu erzeugen vermag, werden aufgrund der
Notwendigkeit für vier Kolben-Zylinderanordnungen Größe
und Gewicht der Pumpe zu groß, und der Geräuschpegel ist
zu hoch. Außerdem besitzt eine solche mehrstufige
Vakuumpumpe eine sehr komplizierte Konstruktion; sie benotigt
zu viele Teile und ist bei weitem zu kostenaufwendig.
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Ein spezielles Merkmal der vorgenannten mehrstufigen
Vakuumpumpe, das eine große Schwierigkeit darstellt, ist
das Erfordernis fur vier atmosphärische Dichtungen. Da
die Pumpe für den Betrieb vier Kolben benötigt, trägt
jeder Kolben auf seinem kleinen Durchmesser eine flexible
Dichtung zur Verhinderung des Eindringens von
Atmosphärendruckluft in die Arbeitsteile der Pumpe. Es wäre
allerdings wünschenswert, jegliche Leckage von
Atmosphärenluft in die oder aus der Pumpe zu verhindern Nicht
nur kann Luft in die Pumpe eindringen, vielmehr können
auch Ausstoß- bzw. Abgase aus der Pumpe herausdringen,
insbesondere an der vierten Kompressionsstufe, an welcher
der Druck den Atmosphärendruck innerhalb der Pumpe
übersteigt. Das gleiche kann in allen Zylindern während des
Hochdruckbetriebs, d.h. beim Auspumpen bzw. Evakuieren
eines Gefäßes vom Atmosphärendruck, vorkommen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine
mehrstufige Vakuumpumpe, umfassend zwei identische
Vakuumpumpeneinheiten und eine mit jeder der mehrstufigen
Vakuumpumpeneinheiten wirkungsmäßig verbundene
Antriebseinrichtung zum Antreiben jeder Pumpeneinheit, welche
Antriebseinrichtung eine Antriebseinheit mit einem
Antriebsgehäuse und einer darin drehbar gelagerten
Kurbelwelle, ein am Antriebsgehäuse montiertes Motormittel
mit einer Antriebswelle und einem Kupplungsmittel zum
Koppeln der Antriebswelle mit der Kurbelwelle, ein erstes
Dichtungsmittel zwischen dem Antriebsgehäuse und der
Kurbelwelle und ein zweites Dichtungsmittel zwischen jeder
Pumpeneinheit und der Antriebseinrichtung, (und) ein
wirkungsmäßig mit der Antriebswelle verbundenes Kolbenmittel
mit einem hohlen Innenraum, der mit einem inneren
Abschnitt des Gehäuses in Verbindung steht, aufweist,
sowie ein eine Stufe der mehrstufigen
Vakuumpumpeneinheit(en) mit dem inneren Abschnitt des Gehäuses
verbindendes Einwegeventilmittel, um den Druck im Kolben und im
Inneren des Gehäuses im wesentlichen bzw. wesentlich zu
senken.
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Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den
beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine
Antriebseinheit mit zwei mit ihr verbundenen
Pump(en)einheiten, von denen jede Pumpeinheit
eine ölfreie mehrstufige Vakuumpumpe mit einer
einzigen Kolben-Zylinderanordnung ist,
Fig. 2 eine Stimseitenansicht einer Pumpeinheit,
Fig. 3 eine Ansicht der Pumpeinheit im Schnitt längs
der Linie C-C in Fig. 2, wobei sich der Kolben
in der unteren Totpunktstellung befindet,
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Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Schnittansicht, in
welcher sich der Kolben in der oberen
Totpunktstellung befindet,
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Fig. 5 eine Ansicht der Pumpeinheit im Schnitt längs
der Linie B-B in Fig. 2 mit entferntem Kolben,
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Fig. 6 eine Ansicht der Pumpeinheit im Schnitt längs
der Linie A-A in Fig. 2,
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Fig. 7 eine Draufsicht auf die Antriebseinheit bei
entfernter Deckelplatte,
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Fig. 8 eine Seitenansicht der Deckelplatte für die
Antriebseinheit,
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Fig. 9 eine End- oder Stimseitenansicht der
Antriebseinheit bei entfernter Pumpeinheit,
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Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Kolbens und
der Fluidströmungsstrecken zwischen den drei in
Reihe geschalteten Stufen,
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Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Kolbens und
der Fluidströmungsstrecken zwischen den Stufen,
wobei Stufen 1 und 2 parallelgeschaltet sind
und Stufe 3 mit den Stufen 1 und 2 in Reihe
geschaltet ist,
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Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Kolbens und
einer Strömungsstrecke, welche die drei Stufen
mit den drei parallelgeschalteten Stufen
verbindet,
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Fig. 13 eine Schnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei zwei
Pumpeinheiten mit einer gemeinsamen
Antriebseinheit verbunden sind und Kassetten- oder
Kapselventile beinhalten,
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Fig. 14 eine Stimseitenansicht der Anordnung nach
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Fig. 13, von der linken Seite her gesehen,
wobei ein Teil des Antriebseinheitsgehäuses
entfernt ist,
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Fig. 15 eine Ansicht im Schnitt längs der Linie 15-15
in Fig. 13,
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Fig. 16 eine Ansicht im Schnitt längs der Linie 16-16
in Fig. 13,
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Fig. 17 eine End- oder Stimseitenansicht, längs der
Linie 17-17 in Fig. 13 gesehen,
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Fig. 18 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene
Schnittansicht der Auslaßventilkassette bzw. -kapsel
der ersten Stufe,
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Fig. 19 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene
Schnittansicht einer Ventilkapsel, wie sie an anderen
Stellen benutzt wird, und
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Fig. 20 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene
Schnittansicht der Kolbenanordnung für eine
Pumpeneinheit.
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Die in Fig. 1 schematisch dargestellte
Vakuumpumpe 10 besteht aus einer Antriebseinheit 12 und zwei
Pumpen- oder Pumpeinheiten 14 und 16, die an
gegenüberliegenden Seiten der Antriebseinheit 12 montiert
(angeflanscht) sind. Die Antriebseinheit oder das
Antriebsmodul 12 umfaßt ein Gehäuse 18, das einen
Elektromotor 20 mit einer Ausgangswelle 22 trägt. Das
Gehäuse 18 ist an einem Getriebegehäuse 24 befestigt, an
welchem die beiden Pumpeinheiten oder Pumpmodule 14 und 16
angebracht sind. Im Gehäuse 24 ist in Lagern 28 und 30
eine Kurbelwelle 26 drehbar gelagert. Die Kurbelwelle 26
durchsetzt die End- oder Stimwand 32 des Gehäuses und
ist relativ zum Gehäuse 24 mit Hilfe eines
Dichtungselements 34 einer beliebigen geeigneten Konstruktion
luftdicht abgedichtet. Die Ausgangswelle 22 des Motors 20
ist mit der Kurbelwelle 26 über eine Kupplung 36
verbunden. Obgleich in Fig. 1 zwei Pumpmodule 14 und 16
dargestellt sind, können bis zu vier Pumpmodule für Betätigung
durch einen gemeinsamen Motor 20 am Antriebsmodul 12
angebracht (angeflanscht) sein. Gemäß Fig. 1 sind zwei
Kolbenstangen 38 und 40 mit der Kurbelwelle 26 und
jeweiligen Kolben 42 und 44 verbunden, die in den
Pumpmodulen 14 bzw. 16 schematisch dargestellt sind.
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Das Getriebegehäuse 24 besteht aus Aluminiumguß und
enthält zwei schematisch bei 46 und 48 angedeutete
integrierte Durchgänge, welche Einlaß- bzw. Auslaßdurchgänge
für die jeweiligen Pumpmodule 14 und 16 bilden.
Zweckmäßige
Einlaß- und Auslaßanschlüsse (nicht dargestellt)
sind mit den jeweiligen Durchgängen 46 bzw. 48 verbunden
zwecks Verbindung mit der zu evakuierenden Vorrichtung
und der Atmosphäre oder einem geeigneten Behälter, falls
toxische Gase im Spiel sind. Derartige Anschlüsse
durchsetzen den Deckel oder eine Wand des Getriebegehäuses 12
in Fluidverbindung mit den jeweiligen Durchgängen 46 und
48.
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Jede der Pumpeinheiten 14 und 16 ist eine ölfreie,
mehrstufige Vakuumpumpe; da die Pumpeinheiten identisch
sind, ist im folgenden nur das Pumpmodul 14 im einzelnen
beschrieben.
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Gemäß den Fig. 2 bis 6 ist das Pumpmodul 14 mit der
Antriebseinheit 12 mittels beliebiger geeigneter Mittel
(nicht dargestellt) verbunden; es besteht aus einem
Aluminiumgußgehäuse 50 mit einem Zylinder 53 eines variablen
bzw. sich ;ndernden Durchmessers und drei Durchgängen 54,
56 und 58, die im Gießvorgang materialeinheitlich oder
integriert parallel zueinander und zum Zylinder geformt
(worden) sind. Der Zylinder und die Einlaßdurchgänge
(oder auch -leitungen) verlaufen relativ zueinander durch
das Gehäuse 50 auf die am besten in den Fig. 2, 5 und 6
dargestellte Weise.
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Der Zylinder 52 ist mit zwei Endabschnitten 60 und
62 etwa gleichen Durchmessers versehen, wobei sich der
Endabschnitt 62 in einem zylindrischen Abschnitt 68 des
Gehäuses 24 der Antriebseinheit befindet. Gemäß Fig. 3
erstreckt sich der zylindrische Abschnitt 68 in das
Gehäuse 24 der Antriebseinheit 12. Ein ähnlicher
zylindrischer Abschnitt 69 ist in der gegenüberliegenden Wand
des Gehäuses 24 geformt, die ein Teil des Zylinders einer
zweiten Pumpeinheit, wie der in Fig. 2 gezeigten
Pumpeinheit 16, bildet, welche sich an der von der
Pumpeinheit
14 abgewandten Seite der Antriebseinheit 12
befindet. Da das Innere der Antriebseinheit 12 unter
einem Unteratmosphärendruck gehalten sein muß, kann ein
geeigneter Deckel 49 über der Öffnung 47 befestigt sein,
um einen luftdicht abgedichteten Verschluß
bereitzustellen.
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Der Zylinder 52 ist auch mit einem zentralen, einen
größeren Durchmesser besitzenden bzw. weiteren
Abschnitt 70 zwischen den beiden dünneren Abschnitten 60
und 62 versehen. Die Pumpeinheit 14 enthält einen hohlen
Kolben 42, der mit zwei etwa gleichen Durchmesser
besitzenden Endabschnitten 72 und 74 und einem einen größeren
Durchmesser besitzenden bzw. erweiterten
Mittelabschnitt 76 versehen ist. Der Kolben ist auf allen
Zylinderflächen mit einem verschleißarmen Werkstoff 78 eines
niedrigen Reibbeiwerts bedeckt bzw. überzogen. Der
Werkstoff ist so aufgebracht, daß bei einer Ausdehnung des
Kolbens keine mechanische Interferenz bzw. Störung mit
den Zylinderwänden auftritt. Der Überzugswerkstoff 78,
der Kolben 42 und das Zylindergehäuse 50 besitzen jeweils
gleichen Ausdehnungskoeffizienten. Der Kolben 42 und das
Zylindergehäuse 50 können aus Aluminium oder einem
anderen Werkstoff, wie nichtrostender Stahl, der für den
Kolben verwendet werden kann, geformt sein. Der
Überzugswerkstoff 78 kann im wesentlichen demjenigen gemäß der
US-PS 4 790 726 (Balkau, et al.) entsprechen, gemäß
welcher US-PS eine Manschette oder Hülse aus bronzegefülltem
Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet wird. Zur
Gewährleistung geringen Verschleißes können auch andere Arten
von Füllerwerkstoffen verwendet werden. Wie in obiger
US-PS, ist die Schicht aus reibungsarmem, verschleißarmem
Werkstoff auf den Zylinderflächen derart, daß innerhalb
des im Normalbetrieb der Pumpe auftretenden
Temperaturbereichs zwischen der Hülse und dem Zylinder ein
mittlerer Abstand oder Spalt erhalten bleibt, welcher Spalt
eine maximale Größe besitzt, bei welcher eine Leckage von
Gas an der Hülse vorbei auf einer solchen Größe liegt,
daß durch die Pumpe ein annehmbarer Vakuumgrad
aufrechterhalten werden kann. Eine napfförmige Kontaktdichtung 80
aus einem ähnlichen Werkstoff ist am Ende des dünneren
Abschnitts 74 befestigt, um den Eintritt von Gasen
höheren Drucks im Inneren der Antriebseinheit 12 in den
Arbeitsraum der Pumpe zu verhindern. Das
Zylindergehäuse 50 besteht aus zwei getrennten Gußstücken 51 und
53 und einer zwischengefügten Ventilscheibe oder
-platte 55. Die drei Bauteile des Gehäuses 50 sind mit
Hilfe geeigneter Mittel (nicht dargestellt) gegeneinander
befestigt. Der Haupteinlaßdurchgang 54 für die Pumpe
verläuft auf die in den Fig. 2 und 5 am besten dargestellte
Weise durch das Zylindergehäuse 50. Das Ende 84 des
Einlaßdurchgangs 54 ist in Flucht mit dem
Einlaßdurchgang 115 angeordnet, welcher gemäß Fig. 7 die End- oder
Stimwand der Antriebseinheit 12 durchsetzt, (und)
welcher seinerseits mit einem Einlaß verbunden ist, der an
das zu evakuierende Objekt (noch zu beschreiben)
anschließbar ist.
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Das gemäß Fig. 5 obere Ende des Einlaßdurchgangs 54
ist mit einem Durchgang 90 verbunden, der sich, wie am
besten aus Fig. 2 hervorgeht, über etwa 270º um den
Endabschnitt 60 des Zylinders 52 herum erstreckt. Dieser
umlaufende oder Umfangsdurchgang 90 kommuniziert mit dem
Inneren des Abschnitts 60 des Zylinders 52 über eine
Anzahl von radialen Durchgängen 92, die auf einer
Umfangslinie unmittelbar über dem oberen Ende 94 des
Kolbens 42 verlaufen, wenn sich der Kolben 42 in der in
Fig. 3 dargestellten unteren Totpunktstellung befindet.
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Gemäß Fig. 3 ist eine Ventilplatte oder -scheibe 100
am oberen Ende des Zylinders 52 mit Hilfe geeigneter
Mittel (nicht dargestellt) befestigt. Das Volumen 61
zwischen
der Ventilplatte 100 und dem oberen Ende 94 des
Kolbens 42 legt eine Stufe 1 der mehrstufigen Pumpe fest.
Die Ventilplatte 100 ist mit zwei Ventilen 101 und 103
versehen, welche bei Aufwärtsbewegung des Kolbens 42 den
Durchtritt von Gas aus dem Zylinder zulassen. Das
Ventil 101 kann ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil
sein, während das Ventil 103 ein federbelastetes
Einwegeventil ist. Zwischen einer Deckelplatte 99, die mit dem
Gehäuse 50 luftdicht verbunden ist, und der
Ventilplatte 100 ist eine Auslaßkammer 97 festgelegt. Die
Kammer 97 kommuniziert mit dem Durchgang 58 im Gehäuse 50
b über einen seitlichen bzw. Querdurchgang 96. Der in den
Fig. 2 und 6 am besten dargestellte Durchgang 58 bildet
einen Auslaßdurchgang der ersten Stufe und einen
Einlaßdürchgang der zweiten Stufe.
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Der Durchgang 58 sollte zusammen mit dem
Querdurchgang 96 ein Volumen besitzen, das ungefähr gleich dem aus
Stufe 1 verdrängten Volumen ist, um einen Druckaufbau im
Durchgang 58 zu minimieren. Der Durchgang 58 ist außerdem
mit einem Hochdruckauslaß über das in der Antriebseinheit
angeordnete Einwegeventil 102 verbunden (vgl. Fig. 7).
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Der Durchgang 58 kommuniziert mit dem weiteren
Abschnitt 70 des Zylinders über eine Anzahl von
Öffnungen 98 durch einen im wesentlichen bogenförmigen
Durchgang 59, der in den Fig. 2 und 6 am besten dargestellt
ist. Die Öffnungen 58 sind auf einer Umfangslinie
angeordnet, die durch den weiteren Abschnitt 76 des
Kolbens 42 freigelegt ist, wenn sich der Kolben in seiner
unteren Totpunktstellung gemäß Fig. 3 befindet. Der
Ringraum 63 über dem weiteren Abschnitt 76 des Kolbens 42
legt eine Stufe 2 der mehrstufigen Pumpe fest.
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Bei Verschiebung des Kolbens 42 aus der unteren
Totpunktstellung in Richtung auf die obere Totpunktstellung
werden die Öffnungen 98 verschlossen, und die in Stufe 2
befindlichen Gase werden durch ein Einwegeventil 108
ausgetrieben, das in der Ventilplatte oder -scheibe 55
angeordnet ist, die ihrerseits zwischen den
Gehäuseabschnitten 51 und 53 befestigt ist. Nach dem Durchgang durch das
federbelastete Einwegeventil 108 treten die Gase in einen
Querdurchgang 109 ein, welcher den sich parallel zum
Zylinder 52 erstreckenden Durchgang 56 schneidet. Das
untere Ende des Durchgangs kommuniziert mit einem
Querdurchgang 57, der sich, wie am besten aus den Fig. 2 und
6 hervorgeht, über im wesentlichen 90º des Umfangs des
Zylinders 52 erstreckt. Der Querdurchgang 57 kommuniziert
mit dem Inneren des weiteren Abschnitts 70 des
Zylinders 52 über mehrere radial verlaufende Durchgänge 104,
die auf einer Umfangslinie angeordnet sind und freigelegt
werden, wenn der Kolben 42 die obere Totpunktstellung
gemäß Fig. 4 erreicht. Die aus Stufe 2 ausgetriebenen
Gase treten dabei in die Stufe 3 der mehrstufigen Pumpe
ein, welche Stufe durch den Raum 65 zwischen dem weiteren
Abschnitt 76 des Kolbens 42 und der Stimwand des
Gehäuses 24 der Antriebseinheit 12 festgelegt ist.
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Die Aufwärtsverschiebung des Kolbens 42 aus der
unteren Totpunktstellung gemäß Fig. 3 in die obere
Totpunktstellung gemäß Fig. 4 resultiert in einer
Verringerung des Drucks in der Stufe 3, so daß das
Einwegeventil 114 in Abhängigkeit von den höheren Druck
besitzenden Gasen im Inneren der Antriebseinheit 12 öffnen
kann und damit die Gase in der Antriebseinheit 12 durch
die Öffnung 116 in die Stufe 3 einströmen. Hierdurch wird
das Innere der Antriebseinheit 12 unterhalb
Atmosphärendruck gehalten.
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Bei Verschiebung des Kolbens 42 aus der oberen
Totpunktstellung in die untere Totpunktstellung werden die
Gase in bzw. aus Stufe 3 über den Durchgang 113
ausgetrieben, der durch das federbelastete Einwegeventil 110
gesteuert wird, welches in die Antriebseinheit 12
eingebaut ist (vgl. Fig. 7). Die durch die drei Stufen der
mehrstufigen Pumpe erreichte Pump- bzw. Förderwirkung
reduziert somit erheblich den Druck in einem Gefäß, das
an den Einlaß 126 der Antriebseinheit 12 angeschlossen
worden ist.
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b Die Antriebseinheit 12, die normalerweise in der
Position gemäß Fig. 9 angeordnet ist, ist mit einer
Quertrennwand 150 versehen, die eine untere Kammer 152
festlegt, in welcher der den Motor 20 mit dem Kolben 42
verbindende Antriebsmechanismus angeordnet ist. Der in der
Stimwand 154 der Antriebseinheit 12 dargestellte und
auch in Fig. 4 gezeigte Durchgang 116 wird durch das
federbelastete Einwegeventil 114 gesteuert. Wie erwähnt,
verläuft die Kurbelwelle 26 durch eine Seitenwand 32 der
Antriebseinheit, wobei sie letzterer gegenüber durch die
Dichtung 34 luftdicht abgedichtet ist. Aufgrund der
Pumpwirkung wird somit der Druck in der unteren Kammer 152 so
reduziert, daß die Möglichkeit dafür vermindert wird, daß
sich Gase zwangsweise ihren Weg an der Kontaktdichtung 80
vorbei suchen, welche Dichtung am unteren Ende des
Kolbens angebracht ist, der im dünneren Abschnitt 62 des
Zylinders arbeitet, welcher wiederum durch den
zylindrischen Fortsatz 68 festgelegt ist, der sich gemäß Fig. 3
in die Antriebseinheit 12 hinein erstreckt.
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Wie am besten aus Fig. 7 hervorgeht, ist der obere
Abschnitt des Gehäuses 24 der Antriebseinheit 12 durch
Trennwände 143 und 145 in drei getrennte Kammern 140, 142
und 144 unterteilt. Die Antriebseinheit 12 ist mit einem
in Fig. 8 gezeigten Deckel 120 versehen, der mittels der
um den Gesamtumfang des Deckels herum verlaufenden Dich
tungen 122 luftdicht mit der Oberseite des Gehäuses 24
verbindbar ist. Ähnliche Dichtungen können für Anlage an
die oberen Flächen bzw. Oberseiten der Trennwände 143 und
145 vorgesehen sein. Wenn der Deckel 120 mit Hilfe
geeigneter Mittel (nicht dargestellt) am Gehäuse 24 befestigt
ist, sind somit die drei Kammern 140, 142 und 144 relativ
zueinander luftdicht abgedichtet.
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An der Oberseite des Deckels 120 ist ein Anschluß
oder Stutzen 124 zur Herstellung einer Verbindung zu
einer gegebenen, mittels der mehrstufigen Vakuumpumpe zu
evakuierenden Vorrichtung befestigt. Der
Einlaßdurchgang 126 durchsetzt den Anschluß 124 und den Deckel 120
in Verbindung mit dem Z-förmigen Durchgang 140 (vgl.
Fig. 7), der seinerseits mit dem Durchgang 115 versehen
ist, welcher in Verbindung mit dem Einlaßdurchgang 54 im
Gehäuse 50 der Pumpeinheit 14 angeordnet ist, so daß die
Gase zur Stufe 1 strömen können.
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Der Ausstoßdurchgang 111 der ersten Stufe im
Antriebseinheitsgehäuse 24, der mit dem Durchgang 58 in
der Antriebseinheit 14 verbunden ist, kommuniziert auch
mit der Kammer 142 über das federbelastete
Einwegeventil 102, das in der Kammer 142 angeordnet ist. Der
Ausstoßdurchgang 113 der dritten Stufe im Gehäuse 24 der
Antriebseinheit kommuniziert mit dem
Ausstoßdurchgang 112, der von der Stufe 3 abgeht, und
kommuniziert auch mit der Kammer 142, die durch das
federbelastete Einwegeventil 110 gesteuert wird. Die
Kammer 142 ist somit eine Austoß- oder Auslaßkammer, die
gemäß den Fig. 7 und 8 über die Durchgänge 136, 132 und
130 mit der Atmosphäre verbunden ist. Wenn eine zweite
Pumpeinheit an die gegenüberliegende Seite der
Antriebseinheit 12 angeschlossen ist, wobei der dünnere
Endabschnitt des Kolbens sich im zylindrischen
Fortsatz 69 gemäß Fig. 7 befindet, wirkt die Kammer 144
auch als Ausstoß- oder Auslaßkammer, wobei die darin
enthaltenen Gase über die Durchgänge 134, 132 und 130
durch die bzw. zur Atmosphäre abgeführt werden. Weiterhin
ist ein zweiter Einlaß für die Kammer 140 vorgesehen, und
den Durchgängen 111, 113 und 115 äquivalente Durchgänge
sind in den End- oder Stirnwänden benachbart zu den
zylindrischen Fortsätzen 69 geformt.
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Im Betrieb ist oder wird das zu evakuierende Gefäß
mit dem Anschluß 124 am Deckel 120 der Antriebseinheit
verbunden, wobei Gas durch den Durchgang 126, die
Kammer 140 und den Durchgang 115 in den Einlaßdurchgang 54
in der Antriebseinheit 14 strömt. Das Gas tritt sodann
über die um den Umfang der Zylinderwand angeordneten
Öffnungen 92 in den Kompressionsraum der Stufe 1 ein, wenn
sich der Kolben nahe seinem unteren Totpunkt befindet.
Wenn der Kolben die untere Totpunktstellung gemäß Fig. 3
verläßt, erreicht das Gas, das in den Kompressionsraum
der Stufe 1 eingetreten ist, einen höheren Druck, und es
wird über entweder das elektromagnetisch betätigte
Ventil 101 oder das federbelastete Einwegeventil 103
ausgetrieben.
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Das Gas wird sodann über die Kammer 97, den
Durchgang 96 und den Durchgang 58 zur Stufe 2 durch den
Durchgang 59 und die Öffnungen 98 überführt, die nicht
verdeckt bzw. freigelegt sind, wenn sich der Kolben 42 in
seiner unteren Totpunktstellung befindet. Das Gas in bzw.
aus Stufe 2 wird über das Einwegeventil 108 sowie die
Durchgänge 109, 56 und 57 ausgetrieben, und es tritt in
Stufe 3 über die Öffnungen 104 ein, die freigelegt
werden, wenn sich der Kolben der oberen Totpunktstellung
(vgl. Fig. 4) annähert. Das in Stufe 3 enthaltene Gas
wird über das Einwegeventil 110 in die Kammer 142 der
Antriebseinheit 12 ausgetrieben, aus welcher es sodann
zur Atmosphäre (Außenluft) abgelassen wird. Falls das Gas
von einer toxischen Art ist, kann es in einem getrennten
Gefäß aufgefangen werden. Etwaiges Gas, das an der
Kontaktdichtung 80 am unteren Ende des Kolbens 42
vorbeiströmt, tritt ebenfalls in Stufe 3 ein und wird auf
gleiche Weise ausgetrieben. Ebenso wird der Druck in der
Kammer 152 der Antriebseinheit 12 gesenkt, wenn sich der
Kolben von der unteren Totpunktstellung zur oberen
Totpunktstellung verschiebt, wobei zu diesem Zeitpunkt der
Druck in Stufe 3 erheblich gesenkt wird, so daß das
Einwegeventil 114 öffnen kann. Das Einwegeventil 114 erlaubt
einen Eintritt von Gas in die Stufe 3, um den Druck in
der Antriebseinheit auf etwa 1/10 einer Atmosphäre zu
senken. Es ist wichtig sicherzustellen, daß der Druck in
der Antriebseinheit nicht so niedrig ist, daß ein
Wärmeübergang vom internen Mechanismus der Antriebseinheit und
der Pumpeinheit über das Gas (Konvektion) zu den Wänden
oder Flächen des Gehäuses, die aus Aluminium bestehen,
verhindert wird.
-
Das den Ausstoß von Gasen aus Stufe 1 steuernde
elektromagnetische Ventil 101 ist normalerweise in eine
Schließstellung federbelastet und in einer vergleichs
weise kleinen Bohrung eines Durchmessers von etwa
1/16 Zoll angeordnet. Das federbelastete
Einwegeventil 103 ist in einer Bohrung angeordnet, deren Fläche
etwa das bofache der Öffnung des elektromagnetischen
Ventils beträgt. Während der anfänglichen Pump- oder
Förderstufen arbeitet das federbelastete Ventil zur
Ermöglichung einer Strömung der Hochdruckgase aus der Stufe 1
zum Durchgang 58 und von diesem zur Auslaßkammer 142 in
der Antriebseinheit 12 über das Hochdruckventil 102 und
zur zweiten Stufe. Während in den folgenden Hüben des
Kolbens der Druck reduziert wird, wird das
elektromagnetische Ventil benutzt, um das Öffnen des Durchgangs
zwischen erster und zweiter Stufe zu garantieren. Das
elektromagnetische
Ventil ist so phasengesteuert, daß es öff
net, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, und
schließt, bevor der Kolben herabfährt. Die
Auslaßdurchgänge von zweiter und dritter Stufe können durch entweder
ein federbelastetes Ventil, wie dargestellt, das
normalerweise geschlossen ist, oder eine Kombination von
Ventilen, ähnlich den oben in Verbindung mit dem Auslaß der
ersten Stufe beschriebenen, gesteuert werden.
-
Im Betrieb der beschriebenen mehrstufigen Trocken-
Vakuumpumpe sollte die Gleitgeschwindigkeit (V) des
Kolbens auf weniger als 300 Fuß/min (1,5 m/s) begrenzt sein.
Die Pump- oder Fördergeschwindigkeit einer vollständigen
Pumpeinheit sollte 100 1/min bei einem Enddruck von
20 mTorr betragen. In der Praxis bedeutet dies, daß der
Enddruck zur Berücksichtigung von Verschleiß im
Neuzustand wesentlich niedriger sein muß als 20 mTorr.
-
Der Motor in der Antriebseinheit sollte mit 1800/min, als
übliche verfügbare Drehzahl, rotieren können. Der Hub des
Kolbens sollte mindestens 25,4 mm betragen, um eine gute
Kompression bzw. Verdichtung in der Hochvakuumstufe zu
erzielen.
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Die Masse des Kolbens und der zugeordneten
mechanischen Teile wird im Hinblick auf Schwingung, Geräusch und
Energie auf einem absoluten Mindestmaß gehalten. Es ist
daher wichtig, den Kolben möglichst klein auszubilden,
dabei aber auch unzulässige Erhöhungen in der
Rotationsgeschwindigkeit zu verhindern.
-
Wie oben erwähnt, unterteilt der einzige Kolben mit
dünneren Endabschnitten und einem weiteren
Mittelabschnitt den Raum im Zylinder in drei Kompressionsräume
oder -stufen, die in dreifach verschiedener Weise
geschaltet sein oder werden können. Wie in den Fig. 2 bis
6 der vorliegenden Anmeldung gezeigt und in Fig. 10 sche
matisch dargestellt, können die Stufen 1, 2 und 3
sämtlich in Reihe geschaltet sein. Wie in Fig. 11 schematisch
gezeigt, können die Stufen 1 und 2 auch
paralle£geschaltet sein, während die Stufe 3 mit den Stufen 1 und 2 in
Reihe geschaltet ist; gemäß der schematischen Darstellung
von Fig. 12 können andererseits die Stufen 1, 2 und 3
sämtlich parallelgeschaltet sein. Die unterschiedlichen
Verbindungen der Stufen lassen sich bei der Herstellung
bzw. Fertigung der Pumpeinheit ohne weiteres durch
Änderung von Lage und Anschluß der Durchgänge in der
Pumpeinheit erreichen. Wenn die Stufen 1 und 2 zueinander
parallel und mit der Stufe 3 in Reihe geschaltet sind,
kann die mehrstuf ige Pumpe als Pumpe mit mittlerer
Pumpbzw. Fördergeschwindigkeit und mittlerem Enddruck
betrieben werden. Wenn alle Stufen in Reihe geschaltet sind,
kann die Pumpe bei niedriger Pumpgeschwindigkeit mit sehr
gutem Enddruck betrieben werden. Wenn die drei Stufen
parallelgeschaltet sind, ist es möglich, die Purape mit
hoher Pump- bzw. Fördergeschwindigkeit und bei höherem
Druck zu betreiben.
-
Während sich die vorstehende Ausführungsform auf
eine einzige Pumpeinheit, die mit einer Antriebseinheit
verbunden ist, richtete, sieht die folgende, in den
Fig. 13 bis 20 dargestellte Ausführungsform zwei mit der
gleichen Antriebseinheit verbundene Pumpeinheiten vor.
Die Mehrpumpenanordnung gemäß Fig. 13 umfaßt eine
Antriebseinheit 200 mit einer ersten Pumpeneinheit 202
und einer zweiten Pumpeneinheit 204, die an
gegenüberliegenden Seiten der Antriebseinheit montiert bzw.
angeflanscht sind. Eine trennbar mit der einen Seite der
Antriebseinheit 200 verbundene Motoreinheit 206 umfaßt
einen Elektromotor M mit einer Ausgangswelle 208, die mit
einer Kurbelwelle 210 über eine Kupplungseinheit 212
gekoppelt ist, welche an den beiden Wellen mittels
Keilverzahnungen
214 bzw. 216 befestigt ist. Die
Kurbelwelle 210 ist in der Antriebseinheit 200 mit Hilfe von
Lagern 218 und 220 drehbar gelagert. Die Kurbelwelle 220
weist zwei Kurbelzapfen 222 und 224 auf, die um 1800
außer Phase zueinander angeordnet sind.
-
Die Pumpeneinheiten 202 und 204 sind identisch und
in gewisser Hinsicht der bei der ersten Ausführungsform
dargestellten Pump- bzw. Pumpeneinheit 14 ähnlich. Die
Pumpeneinheit 202 besteht aus zwei Hauptgußstücken 226
und 228 mit umlaufenden Rippen für Kühlungszwecke. Die
Gußstücke können aus Aluminium oder einem anderen
geeigneten Werkstoff bestehen.
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Das Gußstück 226 ist mit einer abgestuften
zylindrischen Bohrung versehen, die einen ersten, einen kleineren
Durchmesser besitzenden bzw. dünneren zylindrischen
Abschnitt 230, in welchem der Kolben Hübe ausführt, und
einen zweiten, einen größeren Durchmesser besitzenden
bzw. weiteren zylindrischen Abschnitt 232 aufweist, der
eine nachstehend im einzelnen zu beschreibende
Ventilkassette oder -kapsel 234 aufzunehmen vermag.
-
Das zweite Gußstück 228 ist mit einer zylindrischen
Bohrung 236 versehen, die einen größeren Durchmesser als
die Bohrung 230 im Gußstück 226 aufweist. Das das Gehäuse
für die Antriebseinheit 200 bildende Gußstück 238 ist
ebenfalls mit einer zylindrischen Bohrung 240 versehen,
deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser
der Bohrung 230 im ersten Gußstück 226 ist. Die drei
zylindrischen Bohrungen 230, 236 und 240 bilden somit
einen abgestuften Zylinder, ähnlich dem abgestuften
Zylinder bei der ersten Ausführungsform, zum Aufnehmen
eines komplementär abgestuften Kolbens 242 darin. Die
beiden Gußstückabschnitte 226 und 228 sind unter
Zwischenfügung eines Dichtrings 242 mit Hilfe geeigneter
Mittel miteinander verbunden, und das Gußstück 228 ist
seinerseits mit dem Gehäuse 238 der Antriebseinheit 200
mit Hilfe geeigneter Mittel, wie Schraubbolzen o.dgl.,
mit einem dazwischen eingefügten Dichtring 248 verbunden.
-
Der Kolben 242 kann, ähnlich wie bei der vorherigen
Ausführungsform, ein hohler Kolben sein, der zwei im
wesentlichen gleichen Durchmesser besitzende
Endabschnitte 250 und 252 sowie einen erweiterten
Mittelabschnitt 254 aufweist. Wie bei der vorherigen
Ausführungsform ist der Kolben auf allen zylindrischen Flächen mit
einem verschleißarmen Werkstoff eines niedrigen
Reibbeiwerts bedeckt bzw. überzogen. Der Werkstoff wird oder ist
so aufgebracht, daß er bei Ausdehnung des Kolbens keine
mechanische Interferenz bzw. Störung mit den
Zylinderwänden hervorruft. Der Überzugswerkstoff, der Kolben und das
Zylindergehäuse besitzen jeweils den gleichen
(Ausdehnungs-)Koeffizienten. Der Kolben 242 und die
Gußstücke 226, 228 und 238 können aus Aluminium oder anderen
Werkstoffen geformt sein. Der Überzugswerkstoff 78 kann
im wesentlichen demjenigen gemäß der US-PS 4 790 726
(Balkau, et al.) entsprechen, gemäß welcher US-PS eine
Hülse aus bronzegefülltem Polytetrafluorethylen (PTFE)
verwendet wird. Zur Gewährleistung geringen Verschleißes
können auch andere Arten von Füllerwerkstoffen verwendet
werden. Die auf der Zylinderfläche angeordnete Schicht
aus reibungsarmem und verschleißarmem Werkstoff ist so
gewählt, daß in einem im Normalbetrieb der Pumpe
auftretenden Temperaturbereich zwischen der Hülse und dem
Zylinder ein mittlerer Spalt erhalten bleibt, der eine
maximale Größe besitzt, bei welcher Leckage von Gas an
der Hülse vorbei auf einer Größe für die
Aufrechterhaltung eines annehmbaren Vakuumgrads durch die Pumpe liegt.
-
Das verschiebbar im zylindrischen Abschnitt 240 der
Antriebseinheit 200 angeordnete untere Ende des Kolbens
ist mit einer napfförmigen Kontaktdichtung 256 versehen,
die durch einen entsprechend dimensionierten O-Ring 258
in Auswärtsrichtung in Anlage an die Zylinderfläche 240
vorbelastet ist. Die napfförmige Kontaktdichtung 256 ist
am unteren Ende des Kolbens 252 mittels einer Gewinde-
Hülse 260 mit einem unteren Flansch 262 befestigt. Im
oberen Ende des Kolbens 250 ist eine Querbohrung 264
geformt, in welche ein hohler, rohrförmiger
Faustzapfen 266 eingepreßt ist. Die beiden abgestuften
Stopfenelemente 268, bei denen ein O-Ring 270 im dünneren
zentralen Abschnitt angeordnet ist, sind in Ausnehmungen im
oberen Ende des Kolbens 250 an gegenüberliegenden Enden
des Faustzapfens 266 mittels eines Preßsitzes befestigt.
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Der Kolben 242 ist mit der Kurbelwelle 210 mittels
einer hohlen, rohrförmigen Kolbenstange 272 verbunden,
die mit dem Kurbelzapfen 224 über einen versetzten
Verbinder 274 und ein zwischengefügtes Lager 276
verbunden ist. Infolgedessen steht die Kolbenstange 272
fürdie Pumpeneinheit 202 im wesentlichen in Ausrichtung
auf die Kolbenstange für die Pumpeneinheit 204, die
ihrerseits mit dem Kurbelzapfen 222 über einen ähnlichen
versetzten Verbinder 278 und ein zwischengefügtes
Lager 280 verbunden ist. Durch eine solche Anordnung wird
eine verbesserte Auswuchtung der Anordnung für
Schwingungsreduzierung gewährleistet.
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Eine kurze hohle, rohrförmige Hülse 282 ist quer am
oberen Ende der Kolbenstange 272 befestigt. Die Hülse 282
kann mit der Kolbenstange 272 materialeinheitlich
gegossen oder getrennt geformt und auf beliebige geeignete
Weise, wie durch Schweißen o.dgl., abhängig von den
verwendeten Werkstoffen, daran befestigt sein. Zwischen der
Hülse 282 und dem Faustzapfen 266 ist eine Lagerhülse 284
angeordnet, um eine Schwenkverbindung zwischen der
Kolbenstange 272 und dem Faustzapfen 266 herzustellen, der
fest mit dem oberen Ende des Kolbens 250 verbunden ist.
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Im oberen Ende des Kolbens 250 ist eine zweckmäßige
Ausnehmung 286 zum Aufnehmen der Schwenkverbindung
vorgesehen. Wie durch gestrichelte Linien 288 schematisch
dargestellt, steht das hohle Innere des Faustzapfens 266 in
Verbindung mit dem hohlen Inneren der Kolbenstange 272.
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Das Kassetten- oder Kapselventil 234 wirkt als
Auslaßventil für die Stufe 1, welche der Stufe 1 bei der
ersten Ausführungsform entspricht. Bei der ersten
Ausführungsform waren ein elektromagnetisches Ventil 101 und
ein federbelastetes Einwegeventil 103 in einer
Ventilplatte 100 vorgesehen bzw. angeordnet, welche die Stufe 1
festlegte. Bei der vorliegenden Ausführungsform ersetzt
die Kassette bzw. Kapsel (cartridge) 234 die
Ventilplatte, die Deckelplatte und die beiden Ventile bei der
ersten Ausführungsform Das Kapselventil 234 ist gemäß
Fig. 13 in die zylindrische Bohrung 232 eingesetzt und
darin mittels einer Anzahl von Schraubbolzen 233, von
denen einer in Fig. 13 gezeigt ist, befestigt. Zur
Verdeutlichung der Einzelheiten des Kapselventils 234 wird
auf Fig. 18 Bezug genommen, welche das Kapselventil im
Detail verdeutlicht. Das Kapselventil umfaßt einen
hohlzylindrischen Abschnitt 290, der von mehreren
Öffnungen 292 durchsetzt wird. Eine materialeinheitlich mit dem
zylindrischen Abschnitt 290 geformte Endplatte oder
-scheibe 294 ist mit einem abgeschrägten Ventilsitz 296
versehen. Eine ebenfalls materialeinheitlich mit dem
zylindrischen Abschnitt 290 geformte Anbauplatte 298 ist
mit seitlich oder quer abstehenden Flanschen mit
Öffnungen (Bohrungen) zum Aufnehmen der
Anbauschraubbolzen 233 versehen. Vom Mittelbereich der
Anbauplatte 298 geht ein hohler zylindrischer Flansch 300 in
Abwärtsrichtung ab, wobei der Schaft 302 des Ventils 304
mittels Keilverzahnungen 305 in der Hülse (im
Flansch) 300 verschiebbar geführt ist. Die gesamte
Unterseite
des Ventils 304 ist mit einer Vinylgummimasse 306
beschichtet; an der Unterseite des Ventus sind mehrere
Vorsprünge oder ein kreisförmiger Fortsatz 308 für Anlage
an das Ende des Kolbens 250 zum Öffnen des Ventils vorge
sehen, wenn der Druck in Stufe 1 nicht ausreicht, die
Kraft der Feder 310 zu überwinden, die normalerweise das
Ventil 304 in Anlage an den Ventilsitz 296 vorbelastet.
Zum Abdichten des Kapselventils in der Bohrung des
Gußstücks 226 sind zwei O-Ringe 312 vorgesehen. Eine solche
Kapsel kann vormontiert werden, um die Endmontage der
Pumpe und auch ein Auswechseln des Ventils zu einem
gegebenen Zeitpunkt während der Betriebslebensdauer der Pumpe
zu erleichtern.
-
Wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform ist
jede Pumpe der Ausführungsform gemäß Fig. 13 mit drei
Stufen in genau der gleichen Lage wie die drei Stufen bei
der ersten Ausführungsform ausgestattet. Einlaß und
Auslaß sowie die Verbindungen oder Anschlüsse zwischen den
Stufen entsprechend im wesentlichen denen, wie sie für
die erste Ausführungsform beschrieben worden sind. Der
Hauptunterschied liegt in der Art des zum Steuern der
verschiedenen Stufen benutzten Ventils. Wie oben
angegeben, wird das Kapselventil 234 zum Steuern des Auslasses
für die erste Stufe benutzt. Der Einlaß zur ersten Stufe
ist praktisch gleich dem Einlaß 54, 90 und 92 gemäß
Fig 5 bei der ersten Ausführungsform Anstelle der
mehreren Öffnungen 92 kann jedoch ein (nicht dargestellter)
durchgehender Schlitz verwendet werden, weil bei der
Fertigung ein Schlitz einfacher zu formen ist als die
Öffnungen 92. Der Einlaßdurchgang 312 gemäß den Fig. 15, 16
und 17, die Schnittansichten der zweiten Ausführungsform
sind, ist dem Durchgang 54 gemäß Fig. 5 äquivalent. Der
Einlaßdurchgang 312 kommuniziert mit dem umf angsmäßig
verlaufenden Durchgang 314, der dem Durchgang 90 gemäß
Fig. 5 äquivalent ist.
-
Der Durchgang 316 gemäß den Fig. 15 und 16 bildet
den Auslaß bzw. Ausstoß der ersten Stufe, der auch mit
dem Einlaß 318 der zweiten Stufe in Verbindung steht. Der
Außstoßdurchgang 316 der ersten Stufe und der
Einlaßdurchgang 318 der zweiten Stufe entsprechen im
wesentlichen dem Ausstoßdurchgang 58 der ersten Stufe
bzw. dem Einlaßdurchgang 59 der zweiten Stufe bei der
ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 und Fig. 6 der ersten
Ausführungsform Dabei steht wiederum der Einlaß 318 der
zweiten Stufe mit der zweiten Stufe über einen (nicht
dargestellten) Schlitz oder mehrere Öffnungen, wie sie
bei 98 in Fig. 6 gezeigt sind, in Verbindung. Der
Auslaßdurchgang 316 der ersten Stufe kommuniziert mit
einer Auslaßkammer 320 in der Antriebseinheit 200, welche
der Auslaßkammer 142 gemäß Fig. 7 bei der ersten
Ausführungsform ähnlich ist. Der den Auslaß oder Ausstoß
der dritten Stufe bildende Durchgang 322 steht, wie in
Fig. 15 gezeigt, auch mit der Ausstoß- bzw.
-
Auslaßkammer 320 in Verbindung.
-
Der Durchgang 324 gemäß Fig. 16 entspricht dem
Durchgang 56, welcher den Auslaß der zweiten Stufe mit
dem Einlaß der dritten Stufe gemäß Fig. 6 bei der ersten
Ausführungsform verbindet. Bei der vorliegenden
Ausführungsform sind jedoch zwei identische Auslaß- oder
Ausstoßventile 326 und 328 für die zweite Stufe anstelle des
einzigen Ventils 108 gemäß Fig. 6 bei der ersten
Ausführungsform vorgesehen. Die beiden Ventile 326 und 328
kommunizieren mit dem Durchgang 324 über eine Kammer 330,
entsprechend dem Durchgang 109 gemäß Fig. 6. Das
gegenüberliegende Ende des Durchgangs 56 ist mit
Einlaßöffnungen oder einem Schlitz in Stufe 3, entsprechend den
Öffnungen 104 in Stufe 3 gemäß Fig. 6 bei der ersten
Ausführungsform, verbunden. Ein Durchgang, der im wesentlichen
die gleiche Konfiguration wie der Durchgang 330 besitzt,
aber gemäß Fig. 16 in unmittelbarer Ausrichtung damit
angeordnet ist, ist vorgesehen zum Verbinden des unteren
Endes des Durchgangs 324 mit den Öffnungen der dritten
Stufe. Ein solcher Durchgang ist dem Durchgang 57 bei der
ersten Ausführungsform äquivalent und praktisch
identisch. Die neuen Ventile 326 und 328 sind
Einsetz-Kapselventile, ähnlich den Kapselventilen 234 gemäß Fig. 18.
Das in Fig. 19 im einzelnen dargestellte Kapselventil 326
besteht jedoch aus einem zylindrischen Körper 332 mit
einer End- oder Stimwand, in der eine Bohrung 334
vorgesehen ist. Das Ventil 336 ist mit einer Vinylgummimasse
beschichtet, und der Ventilschaft 338 ist mittels einer
Keilverzahnungsverbindung 342 verschiebbar mit einer
Verschlußplatte 340 verbunden. Das Ventil 336 und die
Stirnplatte 340 können ih das zylindrische Gehäuse 332
eingesetzt werden, wobei ein Sprengring (circlip) 334 die
Anordnung innerhalb des zylindrischen Gehäuses sichert.
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Zwischen dem Ventil 336 und der Platte 340 ist eine
Schraubenfeder 346 angeordnet, welche normalerweise das
Ventil 336 in Anlage gegen einen die Bohrung 334
umgebenden Ventilsitz vorbelastet. Eines der Ausstoßventile 326
der zweiten Stufe ist in Fig. 13 dargestellt, aus welcher
hervorgeht, daß die Ventile 326 und 328 einfach in
Öffnungen bzw. Bohrungen im Gußstück 326 eingesteckt werden
können, bevor die Gußstücke 226 und 228 miteinander
verbunden werden. Das in Fig. 13 dargestellte
Ausstoßventil 350 der dritten Stufe ist ebenfalls ein
Einsetzoder Einsteck-Kapselventil, ähnlich den Ventilen 326 und
328, und es kann einfach in eine geeignete Bohrung im
Gußstück 238 der Antriebseinheit eingesteckt werden,
bevor die Pumpeneinheit 202 und die Antriebseinheit 200
miteinander verbunden werden. Ein im wesentlichen dem
Ventil 350 entsprechendes Ventil ist auch am Ende des
Ausstoßdurchgangs 316 der ersten Stufe vorgesehen, wo
dieser in die Ausstoß- oder Auslaßkammer 320 in der
Antriebseinheit eintritt. Die Ausstoßkammer 320 ist gemäß
-
Fig. 15 mit einem Auslaßanschluß 321 versehen, der mit
einer beliebigen Art eines Behälters zum Auffangen der
Abgase von den ersten und dritten Stufen verbunden sein
oder werden kann, falls die Abgase toxische Elemente
enthalten.
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Der Einlaßdurchgang 312 gemäß Fig. 15 kommuniziert
mit einer im Gehäuse 238 der Antriebseinheit 200
geformten Einlaßkammer 313. Diese Einlaßkammer 313 entspricht
der Einlaßkammer 214 gemäß Fig. 7 bei der ersten
Ausführungsform. Ein dem Auslaßanschluß 322 identischer
Einlaßanschluß 323 ist am Gehäuse 238 vorgesehen und
kommuniziert auf eine in den Zeichnungen nicht gezeigte Weise
mit der Einlaßkamrner 313. Der Einlaßanschluß ist mit
einem beliebigen, zu evakuierenden Gefäß verbindbar.
-
Die dritte Stufe der Pumpeneinheit 202 ist mit dem
Inneren des Gehäuses 238 der Antriebseinheit 200 über ein
Einwegeventil 360 verbunden, das gemäß Fig. 14
normalerweise in die Schließstellung federbelastet ist. Am Ende
des Ventilschafts 364 ist mittels einer Schraube 366 eine
Platte 362 befestigt, und eine zwischen dem Gehäuse 238
und der Platte 362 verlaufende Feder 368 belastet das
Ventil 360 in Anlage an den am Gehäuse 238 ausgebildeten
Sitz. Das Ventil 360 ist aquivalent zum Ventil 114 gemäß
Fig. 4 bei der ersten Ausführungsform, und es ist
vorgesehen, um Gas in die Stufe 3 eintreten zu lassen und den
Druck in der Antriebseinheit auf etwa 1/10 Atmosphäre zu
senken. Es ist wichtig sicherzustellen, daß der Druck in
der Antriebseinheit nicht so niedrig ist, daß ein
Wärmeübergang vom internen Mechanismus der Antriebseinheit und
der Pumpeinheit über das Gas zu den Wänden oder
Oberflächen des Gehäuses, die aus Aluminium bestehen, verhindert
wird. Das Gehäuse 238 der Antriebseinheit 200 wird durch
die Dichtung 370 zwischen dem Lagerträger 372 und der
Kurbelwelle 210 sowie einen O-Ring 374 zwischen dem
Gehäuse 238 und dem Lagerträger 372 (vgl. Fig. 13) in
einem abgedichteten Zustand gehalten. Das Innere des
Gehäuses 238 steht in Verbindung mit dem Inneren des
Kolbens 254. Die napfförmige Dichtung 256 dichtet das untere
Ende des Kolbens 254 gegen die Wand 240 des Zylinders ab,
und das obere Ende des Kolbens ist durch die
Dichtringe 270 an den gegenüberliegenden Enden des
Faustzapfens 266 abgedichtet. Etwaige Gase, die in das Innere des
Zylinders oder das Innere des
Antriebseinheitsgehäuses 238 entweichen können, könnten den Druck erhöhen,
doch wird der Druck durch das Vorhandensein des
Einwegeventils 360 und die Pumpwirkung der Pumpe augenblicklich
reduziert. Wenn somit die in das Innere des Kolbens 254
oder des Gehäuses 238 entweichenden Gase etwaige toxische
Substanzen enthalten, werden diese über das Ventil 360 in
die dritte Stufe und aus letzterer in das Auffanggefäß
über das Ausstoßventil 350 der dritten Stufe und den
Ausstoßanschluß 321 ausgetrieben.
-
Neben der Verbindung der verschiedenen Stufen jeder
Pumpe in Reihe, parallel zueinander oder mit einer
Kombination dieser Schaltungsarten, wie oben anhand der
Fig. 10 bis 12 beschrieben, können die beiden Pumpen für
Betrieb miteinander in Reihe oder parallel zueinander
geschaltet werden. Gemäß Fig. 7 erstreckt sich bei der
ersten Ausführungsform die Einlaßkammer 140 in der
Antriebseinheit 12 zickzackartig von der einen Ecke der
Einheit zu einer anderen, so daß dann, wenn eine zweite
Pumpeinheit angeschlossen wird oder ist, der Einlaß für
jede Pumpeinheit mit einer gemeinsamen Einlaßkammer 140
in der Antriebseinheit 12 in Verbindung steht. In Fig. 7
sind zwei getrennte Auslaß oder Ausstoßkammern 142 und
144 dargestellt, so daß mit dieser Anordnung der Kammern
die beiden Pumpen parallel zueinander arbeiten. Auf
ähnliche Weise ist oder wird die Einlaßkammer 313 für jede
Pumpeinheit gemäß Fig. 15 so angeschlossen oder
geschaltet,
daß zwei Pumpeinheiten 202 und 204 parallel zueinan
der arbeiten.
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Zum Betreiben der Pumpeneinheiten 202 und 204 in
Reihe miteinander wäre es nur nötig, die
Ausstoßkammer 320 gemäß Fig. 15 mit der Einlaßkammer entsprechend
der Einlaßkammer 313, aber der Einlaßkammer für die
andere Pumpeneinheit zugeordnet, zu verbinden. Die
Ausstoßkammer der einen Pumpeneinheit wäre dabei mit der
Einlaßkammer der anderen Pumpeneinheit verbunden, so daß
dadurch die beiden Pumpeneinheiten in Reihe geschaltet
sind. Wenn die beiden Pump- bzw. Pumpeneinheiten an einer
einzigen Antriebseinheit kombiniert sind und auf oben
beschriebene Weise in Reihe betrieben werden, ergibt sich
ein Enddruck von deutlich unterhalb 20 mTorr, während die
Pumpgeschwindigkeit von 100 1/min weiterhin erhalten
bleibt.
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Wenn die beiden Pumpeinheiten auf oben beschriebene
Weise parallelgeschaltet sind, kann eine Pumpe mit einer
Pumpgeschwindigkeit (oder Förderleistung) von 200 1/min
bereitgestellt werden, obgleich sich dabei ein höherer
Enddruck ergibt. Die Änderungen zwischen einer
Reihenschaltung und einer Parallelschaltung müssen im
Herstellerwerk vorgenommen werden, weil die Änderungen an den
die Antriebseinheit 200 bildenden Maschinengußstücken
vorgenommen werden müssen.
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Obgleich die Erfindung speziell anhand bevorzugter
Ausführungsformen derselben dargestellt und beschrieben
worden ist, ist für den Fachmann ersichtlich, daß die
vorher angegebenen und weitere Änderungen bezüglich Form
und Einzelheiten möglich sind, ohne vom Rahmen der
Erfindung abzuweichen.