DE69630981T2

DE69630981T2 - Kontrollsystem für zweistufige Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE69630981T2
Application number: DE69630981T
Authority: DE
Inventors: Shuji Yokohama-shi Kanagawa Haga; Masaru Yokohama-shi Kanagawa Tsuchiya
Original assignee: Anest Iwata Corp
Current assignee: Anest Iwata Corp
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: EP0730093A1; DE69630981D1; EP1101943A3; EP0730093B1; DE69623516D1; EP1101943A2; US5961297A; EP1101943B1; DE69623516T2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine ölfreie Vakuumpumpe mit mehreren Vakuumpumpen zum Abpumpen von Behältern, und sie betrifft auch ein Verfahren zum Steuern dieser Pumpe (z. B. EP-A-0 529 660).
Beschreibung der einschlägigen Technik
Techniken zum Abpumpen von Behältern finden auf verschiedenen Gebieten vom täglichen Leben bis zu Tieftemperaturtechniken umfangreiche Anwendung. Unter diesen Anwendungen befinden sich Vakuumverpackungen, wie Polyvinylverpackungen, von Nahrungsmitteln, um ein Anhaften von in der Luft schwebenden Bakterien an den Nahrungsmitteln zu verhindern, um deren Verderb zu verhindern, Unterdruckfahrzeuge, Blutentnahmeröhrchen, Thermosflaschen zum Verhindern einer Wärmeleitung durch Luftkonvektion sowie Mäntel von Behältern zum Aufnehmen von Kühlmedien für medizinische, industrielle oder Versuchszwecke.
Ein abgedichteter Behälter wird dadurch abgepumpt, dass die enthaltene Luft oder andere Gase unter Verwendung einer Vakuumpumpe entzogen wird, die mit einem Abpumpanschluss des Behälters verbunden ist.
Unter Vakuumpumpen existieren Ölrotations-Nasspumpen unter Verwendung von Öl, trocken laufende Roots- oder Schneckenpumpen ohne Verwendung von Öl, Molekularpumpen oder ähnliche mechanische Pumpen, die Gas mittels mechanischer Kompression an die Atmosphäre ausblasen, Öldispersionspumpen oder ähnliche Dampfstrahlpumpen zum Ausblasen von Gas durch die Kraft eines Dampfstrahls sowie Ionensputterpumpen oder ähnliche trockene Pumpen zum Abziehen und Ausblasen von Gas durch Erzeugen eines Getterfilms durch Sublimation oder Sputtern. Diese Pumpen werden geeignet ausgewählt, und es wird eine Anzahl derartiger Pumpen kombiniert, um abhängig vom gewünschten Betriebsdruckbereich des Vakuums ein Abpumpsystem aufzubauen. Ein Nieder druck-Abpumpsystem verwendet zwei parallel angeschlossene Ölrotationspumpen, die in einem Gehäuse untergebracht sind, während sich ein Hochvakuum-Abpumpsystem auf eine Vakuum-Nasspumpeneinheit mit einer Kombination aus einer Öldispersionspumpe und einer Ölrotationspumpe stützt.
Beim letzteren Abpumpsystem wird Dampf eines Öls, das durch Erwärmung mit einem Heizer in einem Siedegefäß verdampft wurde, ausgeblasen, um dispergiertes Gas zu komprimieren, das dann durch die Ölrotationspumpe bis zum Atmosphärendruck komprimiert wird, um nach außen ausgeblasen zu werden.
Bei diesem nass arbeitenden Abpumpsystem besteht jedoch ein Problem dahingehend, dass Öl, das aus dem Öldampf im Inneren des Systems anhaftete, erneut verdampft wird, um im abgepumpten Behälter umgekehrt zu strömen. Ein anderes Problem besteht darin, dass die Systemkonstruktion wegen der Verwendung einer Kühlfalle und einer Dampfsperre zur Kühlung kompliziert ist. Ein weiteres Problem besteht dahingehend, dass Öl einer Reaktion mit Gas, wie Chlor oder Fluorgas, unterliegt, um denaturiert zu werden, wodurch der der Drehung dargebotene Widerstand zunimmt, was das Pumpvermögen verringert und die Wartung und die Inspektion entsprechend mühselig macht.
Trocken arbeitende Vakuumpumpen sind frei von den obigen Problemen und demgemäß wünschenswert, und ölfreie Schneckenvakuumpumpen ziehen Aufmerksamkeit auf sich.
Ölfreie Schneckenvakuumpumpen werden grob in den stationären/umlaufenden Typ, der über eine stationäre Spirale mit einer ersten Windung und eine umlaufende Spirale mit einer zweiten Windung, die mit der ersten in Eingriff treten kann, und den Typ mit antreibender, angetriebener Spirale mit einer antreibenden Spirale mit einer ersten Windung und einer angetriebenen Spirale mit einer zweiten Windung, die mit der ersten in Eingriff treten kann, eingeteilt.
Beim Typ mit stationärer/umlaufender Spirale kann dafür gesorgt werden, dass die umlaufende Spirale eine Umdrehung um die stationäre Spirale ausführt, ohne dass sie dazu veranlasst wird, eine Drehung auszuführen, wodurch das Volumen eines umschlossenen Raums variiert wird, der zwischen den zwei Windungen ausgebildet ist.
Es wird dafür gesorgt, dass die umlaufende Spirale eine Umdrehung mit festem Radius um das Zentrum der Windung der stationären Spirale so ausführt, dass der Kontaktpunkt zwischen den zwei Windungen, der den oben genannten umschlossenen Raum definiert, der als Kompressionskammer arbeitet, allmählich zum Zentrum des Systems hin verschoben wird. Gas, das an einem Abzugsanschluss abgezogen wird, wird um das Windungsende der zweiten Windung herumgeführt, um in den geschlossenen Raum zwischen den zwei Windungen einzutreten. Einhergehend mit der Umdrehung der umlaufenden Spirale wird das entzogene Gas unter Druck gesetzt, wenn es zum Systemzentrum hin verschoben wird, während sich sein Volumen verringert, und wenn der geschlossene Raum mit einem Auslassanschluss in Verbindung gebracht wird, wird es nach außen ausgeblasen.
Beim Typ mit antreibender/angetriebener Spirale wird das abgezogene Gas unter Druck gesetzt, wenn es zum Systemzentrum hin verschoben wird, wobei eine allmähliche Volumenverringerung eines geschlossenen Raums vorliegt, der durch die antreibende und die angetriebene Spirale gebildet ist, und wenn der geschlossene Raum mit einem Auslassanschluss in Verbindung gebracht wird, wird es nach außen ausgeblasen. Heutzutage besteht, einhergehend mit der Forderung hinsichtlich einer Erhöhung des Vakuumgrads, die Forderung einer Verringerung der Betriebszeit, bis ein gewünschter Vakuumgrad erzielt ist.
Vakuumpumpen mit niedrigem Kompressionsverhältnis benötigen beträchtlich Zeit um Abpumpen, weswegen Vakuumpumpen mit hohem Kompressionsverhältnis erwünscht sind.
Ein hohes Kompressionsverhältnis kann dadurch erhöht werden, dass die Umdrehungszahl der schneckenförmigen Spiralen erhöht wird. Ein Erhöhen der Windungszahl der Spirale erhöht jedoch die Außengröße der Spirale, was zu Problemen wie einer Schwingung der Achse durch Durchhängen derselben, wenn sie mit hohen Drehzahlen gedreht wird, und auch zur Erzeugung von Geräuschen und Wärme unter Verringerung der Beständigkeit durch Gründe, wie ungleichmäßigen Kontakt zwischen der stationären und der umlaufenden Spirale, führt.
Um diese Probleme zu lösen, ist es denkbar, zwei Vakuumpumpen mit kleiner Windungszahl der Spiralen und demgemäß kleinerer Spiralgröße zu verwenden und diese Pumpen dadurch anzutreiben, dass der Absauganschluss der Pumpe der zweiten Stufe mit dem Auslassanschluss der ersten verbunden wird.
Wenn dieses Betriebsverfahren verwendet wird, baut sich jedoch im Anfangs zustand des Betriebs, in dem der Druck im mit dem System verbundenen abgedichteten Behälter nahe am Atmosphärendruck liegt, im Raum zwischen den Windungen aufgrund des hohen Kompressionsverhältnisses ein hoher Druck auf, was zur Erzeugung großer Wärme führt. In diesem Fall ist es erforderlich, dafür zu sorgen, dass das komprimierte Gas unter hohem Druck nach außen entweicht.
Als einschlägige Technik offenbart die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 62-48979 eine Konstruktion zum Verringern der Belastung auf der Pumpenbelastungsseite beim Starten der Pumpe. Genauer gesagt, wird beim offenbarten System, wenn der Druck in einem durch eine stationäre Spirale und eine umlaufende Spirale definierten ersten Raum höher als der Druck im nächsten, d. h. einem zweiten Raum, das Gas im ersten Raum durch eine Ventileinrichtung in den zweiten Raum ausgeblasen, so dass es nach außen ausgeblasen wird, wenn der zweite Raum mit einem Auslassanschluss in Verbindung gebracht wird, der mit der Außenseite in Verbindung steht.
Bei dieser Technik ist in einem zentralen Teil eines polierten Elements der stationären Spirale ein Auslassanschluss zum Ausblasen von komprimiertem Gas nach außen vorhanden, und nahe dem Auslassanschluss ist eine Ventilkammer vorhanden. Die Ventilkammer steht mit einem ersten Verbindungsloch, das in einen ersten geschlossenen Raum öffnet, in Verbindung, oder vom Ende der umlaufenden Spirale führt eine durch die stationäre und die umlaufende Spirale gebildete Gastasche in die erste Gastasche. Die Ventilkammer steht auch mit einem zweiten Verbindungsloch in Verbindung, das nahe dem Auslassanschluss ausgebildet ist und in einen zweiten geschlossenen Raum oder eine Gastasche geöffnet ist, die durch die stationäre und die umlaufende Spirale während der Kompression von Gas gebildet wird, bevor komprimiertes Gas nach außen ausgeblasen wird, und auch wenn komprimiertes Gas vom Auslassanschluss nach außen ausgeblasen wird. In der Öffnung des ersten Verbindungslochs ist in der Ventilkammer eine Ventileinrichtung vorhanden. wenn bei dieser Konstruktion der Druck in der ersten Gastasche höher als der in der zweiten Gastasche wird, öffnet die Ventileinrichtung, um dafür zu sorgen, dass das Gas in der ersten Gastasche in die zweite Gastasche ausgeblasen wird.
Es ist denkbar, diese Technik beim obigen Verfahren zum Betreiben zweier Vakuumpumpen mit kleiner Spiralgröße und kleiner Anzahl der Spiralwindungen dadurch anzuwenden, dass der Absauganschluss der Pumpe der zweiten Stufe mit dem Auslassanschluss der Pumpe der ersten Stufe verbunden wird. In die sem Fall kann die Ventileinrichtung an der Pumpe der ersten Stufe vorhanden sein, so dass ein Anstieg des Drucks in der ersten Gastasche über einen bestimmten Pegel dafür sorgt, dass das erste Verbindungsloch durch die Ventileinrichtung geöffnet wird, um das komprimierte Gas in der ersten Gastasche in die zweite Gastasche auszublasen.
Einhergehend mit der Drehung der umlaufenden Spirale wird jedoch die zweite Gastasche mit dem Auslassanschluss in Verbindung gebracht, der mit dem Absauganschluss der Pumpe der zweiten Stufe in Verbindung steht.
Demgemäß wird Gas, das in der Pumpe der ersten Stufe komprimiert wurde, vollständig in die Pumpe der zweiten Stufe geführt. Daher wird, wie in der Pumpe der ersten Stufe, auch in der durch die stationäre umlaufende Spirale gebildeten Gastasche der Pumpe der zweiten Stufe ein hoher Druck aufgebaut, was zu hoher Wärmeerzeugung führt.
Als Pumpensystem mit einer Kombination zweier Pumpen wird ein solches verwendet, wie es in der 19 dargestellt ist, bei dem eine Turbomolekularpumpe und eine Trockenpumpe, d. h. eine mechanische Pumpe, in Kombination verwendet werden.
Bei diesem System wird komprimiertes Gas dadurch im Auslassanschluss der Turbomolekularpumpe gesammelt, dass in dieser ein mehrstufiges Blatt mit hoher Drehzahl gedreht wird und ein Ausblasen aus dem Auslassanschluss durch die Trockenpumpe erfolgt, die als Hilfspumpe dient. Da jedoch das mehrstufige Blatt mit hoher Drehzahl gedreht wird, wird es zerstört, wenn die Turbomolekularpumpe ausgehend von einem Zustand betrieben wird, in dem im zweiten Behälter der Atmosphärendruck herrscht. Demgemäß wird die Turbomolekularpumpe gestartet, nachdem das Gas im abgedichteten Behälter durch Kompression durch eine grob arbeitende Hilfspumpe bis auf ungefähr 10^–2 Torr abgepumpt wurde.
Bei seriellem Anschluss des abgedichteten Behälters, der Turbomolekularpumpe und der Hilfspumpe in der genannten Reihenfolge zieht die Hilfspumpe, wenn sie betrieben wird, während die Turbomolekularpumpe stationär gehalten wird, Gas über das Hindernis des mehrstufigen Blatts der Turbomolekularpumpe ab. In diesem Fall ist daher die Belastung erhöht, die mechanischen Verluste sind erhöht und der Wirkungsgrad ist verringert.
Um diese Nachteile zu überwinden, wird ein Ventil an den abgedichteten Be hälter angeschlossen, um die Turbomolekularpumpe und die Hilfspumpe gegeneinander umzuschalten.
Genauer gesagt, ist gemäß der 19 ein Dreiwegeventil 438 zwischen dem Auslassanschluss 432a des abgedichteten Behälters 432 und dem Absauganschluss 434a der Turbomolekularpumpe 434 vorhanden.
Der restliche Einlass-/Auslassanschluss des Dreiwegeventils 438 ist mit dem Absauganschluss 435a der Trockenpumpe 435 durch Umgehen der Turbomolekularpumpe 434 verbunden. So werden die Turbomolekularpumpe 434 und die Trockenpumpe 435 unter Steuerung durch eine elektronische Steuervorrichtung 433 so gegeneinander umgeschaltet, dass sie mit dem abgedichteten Behälter 434 verbunden werden.
Anfangs liefert die elektronische Steuervorrichtung 433 einen Befehl zum Verbinden des Dreiwegeventils 438 mit der Trockenpumpe 435, um diese so anzutreiben, dass das Gas im abgedichteten Behälter 432 durch Kompression ausgeblasen wird, während die Turbomolekularpumpe 434 außer Betrieb gehalten wird.
Da der Auslassanschluss 434b der Turbomolekularpumpe 434 ebenfalls mit dem Absauganschluss 435a der Trockenpumpe 435 verbunden ist, hat auch das Antreiben derselben die Wirkung des Komprimierens und Ausblasens des Gases in der Turbomolekularpumpe 434.
Nachdem eine vorbestimmte Zeitperiode verstrichen ist, die durch Faktoren, wie die Volumina des abgedichteten Behälters und der Turbomolekularpumpe, das Kompressions-/Ausblasvermögen der Trockenpumpe 435 usw., bestimmt ist, die berücksichtigt werden, gibt die elektronische Steuervorrichtung 433 ein Ansteuersignal an die Turbomolekularpumpe 434 aus, während sie das Elektromagnetventil des Dreiwegeventils 438 so ansteuert, dass die Kopplung desselben auf den Absauganschluss 434a der Turbomolekularpumpe 434 umgeschaltet wird.
Nun wird die Turbomolekularpumpe 434 mit hoher Drehzahl gedreht, um das Gas im abgedichteten Behälter 432 zur Kompression und zum Ausblasen durch die Trockenpumpe 435 abzusaugen.
Um die zum Abpumpen des abgedichteten Behälters durch die obige Technik erforderliche Zeit zu verkürzen, ist es denkbar, das Prozessvolumen durch Erhöhen des Volumens der Kompressionskammer der Trockenpumpe zu erhöhen. Bei erhöhtem Volumen der Kompressionskammer kann ein größeres Gasvolumen komprimiert und ausgeblasen werden, um die Abpumpzeit zu verkürzen, wenn der Vakuumgrad im abgedichteten Behälter niedrig ist. Wenn der Vakuumgrad im Behälter hoch ist, muss jedoch die Kompression auf Atmosphärendruck wegen des großen Volumens der Kompressionskammer mehrmals ausgeführt werden, während die Gasmenge von der Turbomolekularpumpe klein ist. Dies erfordert eher eine verlängerte Abpumpzeit.
Als Alternative zur Verkürzung der Prozesszeit ist es denkbar, die Drehzahl der Trockenpumpe zu erhöhen, anstatt das Volumen der Kompressionskammer zu erhöhen. Wenn dies unter einer Bedingung mit niedrigem Vakuumgrad ausgeführt wird, besteht jedoch Einfluss auf die Beständigkeit der Trockenpumpe wegen erhöhter Temperatur in derselben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der obigen Verhältnisse liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumpumpe, mit der die Wärmeerzeugung selbst im Bereich viskoser Strömung bei niedrigem Vakuum verringert werden kann, und auch ein Verfahren zum Steuern derselben zu schaffen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine ölfreie Vakuumpumpe, die eine Verringerung der Lebensdauer aufgrund eines übermäßigen Anstiegs der inneren Temperatur beseitigen kann, und auch ein Verfahren zum Steuern derselben zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine ölfreie Vakuumpumpe, mit der die Prozesszeit zum Abpumpen abgedichteter Behälter verkürzt werden kann, und auch ein Verfahren zum Steuern dieser Pumpe zu schaffen.
Um die obigen Aufgaben zu lösen, ist gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung eine ölfreie, zweistufige Vakuumpumpe mit einer ersten Pumpenstufe und einer zweiten Pumpenstufe geschaffen, wobei diese Pumpenstufen in Reihe betrieben werden und ein Auslassraum der ersten Pumpenstufe mit einem Auslassraum der zweiten Pumpenstufe über einen Umgehungskanal in Verbindung steht, in dem ein Drucksteuerventil vorhanden ist, das dann geschlossen wird, wenn der herrschende Druck niedriger als ein vorbestimmter Druck wird.
Da die ölfreie, zweistufige Vakuumpumpe gemäß der ersten Erscheinungsform der Erfindung über die erste und die zweite Pumpenstufe verfügt, die in Reihe geschaltet sind, kann die Spiralgröße klein sein, und so ist die Pumpe frei von Problemen, wie sie sich im Fall einer großen Spiralgröße stellen, d. h. Schwingungen der Welle durch Verwinden derselben bei Drehung mit hoher Drehzahl oder Erzeugung von Geräuschen und Wärme oder Verringerung der Beständigkeit wegen eines Grunds wie ungleichmäßigem Kontakt zwischen der stationären und der umlaufenden Spirale.
Außerdem steht der Auslassraum der ersten Pumpenstufe über den Umgehungskanal, in dem das Drucksteuerventil vorhanden ist, das geschlossen wird, wenn der herrschende Druck niedriger als ein vorbestimmter Druck wird, mit dem Auslassraum der zweiten Pumpenstufe in Verbindung. Im Kompressionsschritt der ersten Pumpenstufe, mit deren Absaugöffnung der zu evakuierende, abgedichtete Behälter verbunden ist, steht in die erste Pumpenstufe abgepumptes Gas unter hohem Druck, da sich der Druck im abgedichteten Behälter im Anfangsstadium ab dem Start der Pumpe nahe am Atmosphärendruck befindet. Wenn der in der ersten Pumpenstufe herrschende Druck einen vorbestimmten Druck überschreitet, z. B. den Außendruck, d. h. den Druck im Auslassraum der zweiten Pumpenstufe, wird das Drucksteuerventil geöffnet, so dass komprimiertes Gas unter hohem Druck von der ersten Pumpenstufe nicht mehr an die zweite Pumpenstufe geliefert wird, sondern nach außen ausgeblasen wird.
Demgemäß besteht für die zweite Pumpenstufe keine Möglichkeit, komprimiertes Gas unter Druck über dem Atmosphärendruck abzusaugen, und sie ist frei von einer Wärmeerzeugung aufgrund einer ansonsten möglichen übermäßigen Kompression. D. h., dass die zweite Pumpenstufe frei von der Möglichkeit einer Verringerung ihrer Beständigkeit oder eines Fressens oder einer Zerstörung aufgrund von durch hohen Druck erzeugter Wärme ist.
Geeigneterweise sind die erste und die zweite Pumpenstufe an einer gemeinsamen Welle angebracht, so dass sie integral miteinander ausgebildet sind und über die gemeinsame Welle durch eine gemeinsame Antriebsquelle angetrieben werden. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, für eine kompakte Vakuumpumpe zu sorgen, die durch eine einzelne Antriebsquelle angetrieben wird und durch eine verringerte Anzahl von Komponenten verfügt.
Geeigneterweise ist ein abgedichteter Behälter als Last mit der Seite der Absaugöffnung der ersten Pumpenstufe verbunden, und die Drehzahl der Pumpe wird durch eine Steuerungseinrichtung entsprechend dem Vakuumgrad im abge dichteten Behälter gesteuert, wobei die Steuerungseinrichtung die Drehzahl der gemeinsamen Antriebsquelle steuert. Durch diese Konstruktion kann durch Verringern des Drucks im abgedichteten Behälter als Last die Drehzahl der ersten und der zweiten Pumpenstufe erhöht werden, um die Anzahl der Betriebszyklen beim Abpumpen von Gas im abgedichteten Behälter pro Zeiteinheit zu erhöhen. Dies erlaubt eine Verringerung der Prozesszeit.
Als geeignete Alternative können die erste und die zweite Pumpenstufe durch gesonderte Antriebsquellen angetrieben werden. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, optimale Antriebsquellen für die erste und die zweite Pumpenstufe unter Berücksichtigung der Lasten durch das komprimierte Gas entsprechend dem Kompressionsverhältnis der Pumpenstufen anzupassen. Außerdem kann im anfänglichen Gasabsaugstadium für den abgedichteten Behälter, in dem der Druck des komprimierten Gases in der ersten Pumpenstufe über dem Atmosphärendruck liegt, d. h. in einem Bereich viskoser Strömung, in dem sich der abgedichtete Behälter auf einem niedrigen Vakuum befindet, alleine die erste Pumpenstufe angetrieben werden, um Gas durch ein Ausblasventil nach außen auszublasen, und die zweite Pumpenstufe kann angetrieben werden, wenn der Druck des komprimierten Gases in der ersten Vakuumpumpe niedriger als der Atmosphärendruck wurde. Ein derartiger Betrieb der Pumpe ist wirtschaftlicher. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass die umlaufenden Spiralen der zwei Pumpenstufen jeweils von entgegengesetzten Seiten des Pumpengehäuses her angetrieben werden können. Dies bedeutet, dass, im Vergleich zum Fall des Antreibens der Spiralen der zwei Pumpenstufen durch eine gemeinsame Antriebsquelle, die Position, an der jede umlaufende Spirale an der sich ausgehend von jeder Antriebsquelle erstreckenden Welle befestigt wird, unter verkürztem Abstand ausgehend von der Antriebsquelle liegen kann, wodurch Schwingungen der Welle aufgrund Verwindungen derselben oder durch ähnliche Gründe verringert sind.
Geeigneterweise verfügt jede Pumpenstufe über eine Kombination aus einer stationären Spirale und einer umlaufenden Spirale, und die stationäre Spirale verfügt über eine Bodenwand mit einem einen Umgehungskanal bildenden Umgehungsloch. Bei dieser Konstruktion kann der Umgehungskanal dadurch ausgebildet werden, dass in der stationären, nicht angetriebenen Spirale ein Loch ausgebildet wird, und es ist möglich, eine vereinfachte Konstruktion zu erzielen.
Insbesondere können die erste und die zweite Pumpenstufe so angeordnet sein, dass die stationäre Spirale der ersteren und die umlaufende Spirale der letzteren einander zugewandt sind, um komprimiertes Gas von der ersten Pumpenstufe durch die Auslassöffnung derselben in der stationären Spirale zur umlaufenden Spirale der zweiten Pumpenstufe zu liefern. Diese Konstruktion ermöglicht es, zwischen dem abschließenden geschlossenen Raum, wie er durch die Windungen der stationären und der umlaufenden Spirale der ersten Pumpenstufe gebildet wird, und dem anfänglichen geschlossenen Raum, wie er durch die stationäre und die umlaufende Spirale der zweiten Pumpenstufe gebildet wird, einen verkürzten Abstand zu erzielen. So ist es möglich, eine effiziente Vakuumpumpe zu schaffen, in der zwischen den zwei Räumen weniger Gas verbleibt, ohne dass eine direkte Übernahme in den geschlossenen Raum der zweiten Pumpenstufe Gemäß einer zweiten Pumpenstufe erfolgt.
Geeigneterweise verfügt jede Pumpenstufe über eine Kombination aus einer antreibenden Spirale und einer angetriebenen Spirale, und die Auslassräume der zwei Pumpenstufen können über eine den Umgehungskanal bildende Umgehungsleitung miteinander verbunden werden. Diese Konstruktion erlaubt eine wirtschaftliche Anwendung eines Universal-Spiralmechanismus, der unter Verwendung einer Kombination einer antreibenden Spirale und einer angetriebenen Spirale auf zweistufige Vakuumpumpen hergestellt wird.
Geeigneterweise verfügen die erste und die zweite Pumpenstufe jeweils unabhängig über eine stationäre Spirale und eine umlaufende Spirale, wobei die Windungen dieser Spiralen miteinander in Eingriff stehen und wobei die erste und die zweite Vakuumpumpe so angeordnet sind, dass die stationäre Spirale der ersteren und die umlaufende Spirale der letzteren einander zugewandt sind, um komprimierte Luft von der ersten Pumpenstufe durch eine Auslassöffnung derselben in der stationären Spirale zur umlaufenden Spirale der zweiten Pumpenstufe zu liefern.
Geeigneterweise ist das Kompressionsverhältnis der zweiten Pumpenstufe höher als das der ersten Pumpenstufe eingestellt. Dies erlaubt ein Abpumpen einer erhöhten Menge an Gas aus dem abgedichteten Behälter als Last in die erste Pumpenstufe mit vorbestimmtem Volumen. So ist es möglich, die Prozesszeit zu verkürzen.
Geeigneterweise wird das Volumen der minimalen Gastasche der zweiten Pumpenstufe kleiner als das Volumen der minimalen Gastasche der ersten Pumpenstufe eingestellt. Bei dieser Anordnung nimmt die zweite Pumpenstufe kein größeres Gasvolumen auf, als es dem von der ersten Pumpenstufe ausgeblasenen Volumen entspräche. Demgemäß ergibt sich in der anfänglichen Tasche der zweiten Pumpenstufe, d. h. der mit dem maximalen Gasvolumen, kein Aufblasen des Gases, und es nimmt auch die Kompressionseffizienz derselben nicht ab.
Geeigneterweise verfügen die erste und die zweite Pumpenstufe über verschiedene Höhen der Spiralwindungen ausgehend von der Abstützfläche für dieselben. Dies erlaubt ein schnelles Bestimmen des Gastaschenvolumens des Windungsmechanismus durch Einstellen der Höhe der Spiralwindung bei einem vorbestimmten Außendurchmesser der Spirale.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist ein ölfreies Vakuumpumpensystem zum Absaugen und Ausblasen von Gas in einem abgedichteten Behälter mittels mehrerer ölfreier Vakuumpumpen geschaffen, bei dem diese mehreren ölfreien Vakuumpumpen parallel betrieben werden, während sich der Vakuumgrad des abgedichteten Behälters in einem niedrigen Vakuumbereich befindet, und sie seriell betrieben werden, während sich der Vakuumgrad des abgedichteten Behälters in einem Hochvakuumbereich befindet.
Gemäß einer dritten Erscheinungsform der Erfindung ist ein ölfreies Vakuumpumpensystem mit mehreren ölfreien Vakuumpumpen geschaffen, die als jeweilige Pumpenstufen parallel betrieben werden, während sich der Vakuumgrad des abgedichteten Behälters in einem Niedervakuumbereich befindet, während sie seriell betrieben werden, während sich der Vakuumgrad in einem Hochvakuumbereich befindet, wobei die Pumpenstufen durch eine Ventileinrichtung umgeschaltet werden, die den Absauganschluss einer folgenden der Pumpenstufen mit dem abgedichteten Behälter oder dem Auslassanschluss einer vorangehenden Pumpenstufe verbindet, so dass Gas im abgedichteten Behälter oder von der vorangehenden Pumpenstufe abgepumptes Gas selektiv an die folgende Pumpenstufe geliefert wird.
Geeigneterweise ist die vorangehende Pumpenstufe, die mit dem abgedichteten Behälter verbunden ist, über das erste Dreiwegeventil seriell mit der folgenden Pumpenstufe verbunden, während diese folgende Pumpenstufe über ein zweites Dreiwegeventil mit dem abgedichteten Behälter verbunden ist, wobei dieses zweite Dreiwegeventil mit einem Anschluss des ersten Dreiwegeventils verbunden ist, wodurch die folgende und die vorangehende Pumpenstufe selektiv mit dem abgedichteten Behälter verbunden werden.
Geeigneterweise verfügt das Pumpensystem ferner über eine Steuervorrichtung zum Steuern der Drehzahl der vorangehenden und der folgenden Pumpenstufe und auch zum Steuern des ersten und des zweiten Dreiwegeventils zum Ändern des Verbindungszustands der folgenden Pumpenstufe mit der vorangehenden auf solche Weise, dass die zwei Pumpenstufen parallel verbunden sind, während sich der Vakuumgrad des abgedichteten Behälters in einem Niedervakuumbereich befindet, und die zwei Pumpenstufen in Reihe verbunden werden, während sich der Vakuumgrad in einem Hochvakuumbereich befindet.
Gemäß der zweiten und dritten Erscheinungsform der Erfindung werden, während sich der Vakuumgrad des abgedichteten Behälters im Niedervakuumbereich befindet, die mehreren ölfreien Vakuumpumpen parallel betrieben, um auf einen vorbestimmten Vakuumgrad, z. B. ungefähr 10^–2 Torr, abzupumpen.
Durch den parallelen Betrieb der mehreren Pumpen kann der abgedichtete Behälter innerhalb einer kurzen Zeitperiode auf einen vorbestimmten Vakuumgrad abgepumpt werden.
Während sich der Vakuumgrad des abgedichteten Behälters im Hochvakuumbereich befindet, werden die Pumpen seriell betrieben. Dies erlaubt es im Vergleich zum Fall des Betreibens einer einzelnen Pumpe, ein hohes Kompressionsverhältnis zu erzielen, was es erlaubt, den abgedichteten Behälter innerhalb einer kurzen Zeitperiode auf hohes Vakuum zu bringen.
Zum selektiven parallelen oder seriellen Betrieb der mehreren ölfreien Vakuumpumpen kommt es durch Ventileinrichtungen. Genauer gesagt, ist das erste Dreiwegeventil zwischen den abgedichteten Behälter und den Absauganschluss einer folgenden der mehreren Pumpen geschaltet, das zweite Dreiwegeventil ist mit dem Auslassanschluss einer vorangehenden der Pumpen verbunden, und die restlichen Einlass-/Auslassanschlüsse der zwei Dreiwegeventile sind miteinander verbunden.
Zunächst werden das erste und das zweite Dreiwegeventil so gesteuert, dass aus der vorangehenden Pumpe ausgeblasenes Gas nicht in die folgende Pumpe eingelassen wird, sondern es nach außen ausgelassen wird, während es zugelassen wird, das Gas im abgedichteten Behälter parallel an die vorangehende und die folgende Pumpe zu liefern. Dabei werden die vorangehende und die folgende Pumpe gleichzeitig, d. h. parallel, betrieben, um das Gas im abgedichteten Behälter abzusaugen, zu komprimieren und auszublasen.
Wenn die vorangehende und die folgende Pumpe betrieben wurden, bis sich der abgedichtete Behälter in einem vorbestimmten Vakuumbereich befindet, werden das erste und das zweite Dreiwegeventil so angesteuert, dass die Verbindung der Pumpen auf den seriellen Betrieb umgeschaltet wird, damit das aus der vorangehenden Pumpe ausgeblasene Gas an die folgende Pumpe geliefert werden kann.
Dabei erhöht eine Steuervorrichtung die Drehzahl der vorangehenden Pumpe so, dass sie höher als bei parallelem Betrieb ist. Durch die Erhöhung der Drehzahl der vorangehenden Pumpe wird ihre Innentemperatur erhöht. Jedoch nimmt die folgende Pumpe latente Wärme der vorangehenden Pumpe auf, während die Menge an ausgeblasenem Gas zunimmt. So ist es möglich, den abgedichteten Behälter innerhalb einer kürzeren Zeitperiode abzupumpen, ohne dass nachteilige Effekte durch Wärmeerzeugung auf das Pumpensystem bestehen.
Geeigneterweise sind die mehreren ölfreien Vakuumpumpen ähnlich. In diesem Fall können die Wartung und die Inspektion der einzelnen Pumpe unter Verwendung derselben Bedienungsanleitung erfolgen. Dies schließt auf wirtschaftliche Weise mühselige Bedingungen aus, zu denen es andernfalls kommen könnte.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht, die eine ölfreie Vakuumpumpe als eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2(a) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in der 1;
2(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B in der 1;
3 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie C-C in der 1;
4(a) bis 4(d) sind Ansichten, auf die bei der Beschreibung des Betriebs einer Pumpe in einer ersten Stufe Bezug genommen wird;
5(a) bis 5(d) sind Ansichten, auf die bei der Beschreibung des Betriebs einer Pumpe in einer zweiten Stufe Bezug genommen wird;
6 ist eine Schnittansicht, die eine ölfreie Vakuumpumpe als eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt;
7 ist eine Schnittansicht, die eine ölfreie Vakuumpumpe als eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt;
8(a) ist eine schematische Ansicht, die eine ölfreie Vakuumpumpe als eine vierte Ausführungsform der Erfindung zeigt;
8(b) ist eine schematische Ansicht, die eine ölfreie Vakuumpumpe als eine fünfte Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 ist eine Schnittansicht, die die Seite eines in der 8(a) dargestellten Schneckenmechanismus zu einer Pumpe einer ersten Stufe hin zeigt;
10 ist eine Schnittansicht, die die Seite eines in der 8(a) dargestellten Schneckenmechanismus zu einer Pumpe einer zweiten Stufe hin zeigt;
11(a) und 11(b) sind Blockdiagramme, auf die bei der Beschreibung von Steuervorrichtungen zum Betreiben der ölfreien Vakuumpumpen der vierten und fünften Ausführungsform Bezug genommen wird;
12(a) und 12(b) sind Blockdiagramme, auf die bei der Beschreibung von Steuervorrichtungen zum Betreiben der ölfreien Vakuumpumpen der 8 bis 10 Bezug genommen wird;
13 ist eine schematische Darstellung, die eine Zwillingsschrauben-Vakuumpumpe als Ausführungsform der Erfindung zeigt;
14 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt;
15 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt;
16 ist eine Schnittansicht, die eine ölfreie Schneckenvakuumpumpe zeigt, die bei der siebten und achten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
17 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die ein Spiralblatt und eine Abdichtung zeigt;
18A und 18B sind Ansichten, auf die bei der Beschreibung der Funktion von Spiralen bei der siebten und achten Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen wird; und
19 ist eine schematische Darstellung, die ein bekanntes Vakuumpumpensystem zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 1 zeigt, in Schnittansicht, eine ölfreie, zweistufige Vakuumpumpe als erste Ausführungsform der Erfindung. Gemäß dieser Figur ist die ölfreie, zweistufige Vakuumpumpe als erster Ausführungsform der Erfindung mit der allgemeinen Bezeichnung 1 dargestellt, und sie verfügt grundsätzlich über Gehäuseteile 3 und 11, die einen Gehäuseraum bilden, zwei stationäre Spiralwindungen 4 und 5, die im durch die Gehäuseteile 3 und 11 gebildeten Gehäuseraum angeordnet sind, zwei umlaufende Spiralwindungen 8 und 9, die in umlaufende Spiralblätter 6 und 7 eingebettet sind, die ebenfalls entsprechend zu den jeweiligen stationären Spiralwindungen 4 bzw. 5 im Gehäuseraum angeordnet sind, eine Antriebwelle 28, die sich zum Antreiben der umlaufenden Spiralblätter 6 und 7 in den Gehäuseraum erstreckt, und einen Lüfter 22, der an der Antriebsachse 28 angebracht ist und zum Kühlen des Gehäuseteils 3 dient.
Die Stirnwand 3e des Gehäuseteils 3 ist mit einem zentralen Loch 3a ausgebildet, dessen rechter Teil über eine Fleckfläche 3f mit größerem Durchmesser verfügt. Die Antriebsachse 38, die mit einem (nicht dargestellten) Motor verbunden ist, ist drehbar in das Loch 3a eingesetzt, und sie wird durch ein in die Fleckfläche 3f eingesetztes Lager gehalten.
Die Außenseite der Stirnwand des Gehäuseteils 3 verfügt über mehrere radial beabstandete Rippen 39, die sich von ihrer Mitte zu ihrem Rand hin erstrecken, und auf den Rippen 39 ist eine Abdeckung 36 mit mehreren Belüftungslöchern 36a angebracht. Wenn sich der Lüfter dreht, strömt von oben her in der 1 eintretende Kühlluft nach rechts, wie es durch Pfeile dargestellt ist.
Die über Spiralform verfügende Spiralwindung 5 der Pumpe einer zweiten Stufe ist in eine Stirnwand 3e des Gehäuseteils 3 eingebettet. In die Endfläche der Spiralwindung 5 ist eine Enddichtung 23 mit Selbstschmiereigenschaft eingesetzt, die in der Druckrichtung elastisch ist.
Nahe dem Loch 3a ist ein Loch 3b zum Ausblasen von komprimiertem Gas vor handen, das durch ein Rückschlagventil 24 mit einem Auslassanschluss 3c verbunden werden kann, der mit der Außenseite in Verbindung steht.
Wenn der Druck des komprimierten Gases im Loch 3b den Atmosphärendruck auf der Außenseite überschreitet, öffnet das Rückschlagventil 24, um das Loch 3b mit dem Auslassanschluss 3b zu verbinden, um das komprimierte Gas nach außen auszublasen. Wenn der Druck des komprimierten Gases im Loch 3b kleiner als der Atmosphärendruck wird, schließt das Rückschlagventil 24, um eine Rückwärtsströmung von Außengas in das Loch 3b zu erlauben. Auf diese Weise ergibt sich beim Start der Pumpe zusätzliche Antriebsbelastung.
Das Gehäuseteil 3 verfügt über eine unabhängige Umfangswand 3h, die ihre Stirnwand 3e umgibt, um ihre Gasdichtheit auf der Seite der Stirnwand 3e aufrecht zu erhalten. Die Stirnwand 3e verfügt über ein weiteres Loch 3d, das benachbart zum Außenumfang der stationären Spiralwindung 5 der Pumpe einer zweiten Stufe und auch benachbart zur Innenfläche der Umfangswand 3h ausgebildet ist. Das Loch 3d kann durch ein Drucksteuerventil 25 mit dem mit der Außenseite in Verbindung stehenden Auslassanschluss 3c verbunden werden.
Wenn der Druck von komprimiertem Gas in einem geschlossenen Raum oder einer durch die Umfangswand 3h und die stationäre Spiralwindung 5 der Pumpe einer zweiten Stufe gebildeten Gastasche 3g den Atmosphärendruck außerhalb überschreitet, wird das Drucksteuerventil 25 geöffnet, um das Loch 3d mit dem Auslassanschluss 3c zu verbinden, um das komprimierte Gas nach außen auszublasen. Wenn der Druck in der Gastasche 3g niedriger als der Atmosphärendruck wird, wird das Drucksteuerventil 25 geschlossen, damit die Pumpe einer zweiten Stufe das unter hohem Druck stehende komprimierte Gas absaugt. So wird die Temperatur innerhalb der Pumpe einer zweiten Stufe so gesteuert, dass sie nicht über eine vorbestimmte Temperatur ansteigt.
Die umlaufende Spiralwindung 9 der Stufe einer zweiten Stufe, die über im Wesentlichen dieselbe Spiralform wie die oben genannte stationäre Spiralwindung 5 der Pumpe einer zweiten Stufe verfügt, ist in das im Gehäuseteil 3 angeordnete Spiralblatt 7 der Pumpe einer zweiten Stufe eingebettet. Die Windungen 5 und 9 stehen mit einer um 180° außer Phase befindlichen Beziehung miteinander in Eingriff.
In einem bevorzugten Fall sind das Maximal- und das Minimalvolumen der durch die stationäre und die umlaufende Spiralwindung 5 und 9 der Pumpe einer zweiten Stufe gebildeten Gastasche auf 56,6 ccm bzw. 19,1 ccm eingestellt, und das Volumenverhältnis (d. h. das Maximalvolumen geteilt durch das Minimalvolumen, wobei es sich um das Kompressionsverhältnis dreht) ist auf 2,96 eingestellt.
Das umlaufende Spiralblatt 7 verfügt über einen zentralen, zylindrischen Vorsprung 7b mit einer zentralen Bohrung 7a, deren linker Teil eine Fleckfläche 7f mit größerem Durchmesser aufweist, in der ein Lager gehalten ist. Die mit dem Motor (nicht dargestellt) verbundene Antriebsachse 28 verfügt über eine exzentrische Verlängerung 28a, die im in der Fleckfläche 7f vorhandenen Lager drehbar gehalten ist.
Die Stirnfläche des zylindrischen Vorsprungs 7b verfügt über mehrere von ihr vorstehende Positionierstifte 7c, die in Positionierlöcher des umlaufenden Spiralblatts 6 der Pumpe einer ersten Stufe, die später im Einzelnen beschrieben wird, eingreifen und dieses positionieren, und sie verfügt auch über mehrere Gewindelöcher zum Befestigen des Spiralblatts 6 am Vorsprung 7b.
In die Endfläche der umlaufenden Spiralwindung 9 der Pumpe einer zweiten Stufe, die im oben angegebenen Spiralblatt 7 enthalten ist, ist eine Enddichtung 23 mit Selbstschmiereigenschaft und Elastizität in der Druckrichtung, ähnlich wie bei der, die in die Endfläche der Spiralwindung 5 eingesetzt ist, eingesetzt. Genauer gesagt, verfügen die Endflächen der Spiralwindungen 5 und 9, die mit den Spiralblättern 9 bzw. 5 in Kontakt stehen, über Abdichtnuten, in die die selbstschmierenden Enddichtungen 23 für schmiermittelfreies Gleiten über die entsprechenden Spiralblätter eingesetzt sind. Die Enddichtungen 23 halten so die Gasdichtheit der durch die Spiralwindungen 5 und 9 gebildeten Gastasche nach außen hin aufrecht.
Die Oberfläche des umlaufenden Spiralblatts 7 der Pumpe einer zweiten Stufe ist auf der von der Windung 9 abgewandten Seite benachbart zu ihrem Rand mit drei Verbindungsstücken des Umlaufmechanismus verbunden, die mit einem radialen Abstandswinkel von 120° angeordnet sind und mit jeweiligen Umlaufmechanismen 37 mit Kurbelwellen verbunden sind, die mit einem Gehäuseteil 2 der Pumpe einer ersten Stufe, die später beschrieben wird, verbunden sind.
Bei Drehung der Antriebsachse 28 wird das umlaufende Spiralblatt 7 demgemäß vertikal in der 1 hin und her bewegt, d. h., es erfährt eine Drehung entsprechend der Länge der Kurbelwellen der Umlaufmechanismen 37. D. h., dass das umlaufende Spiralblatt 7 mit einem vorbestimmten Radius um das Zentrum der stationären Spiralwindung 5 umlaufen kann, ohne sich zu drehen.
Das Gehäuse 2 ist mittels einer Dichtpackung 38 durch Schrauben oder dergleichen am Gehäuse 3 befestigt. Die Innenwand 2e des Gehäuseteils 2 verfügt über ein zentrales Loch 2a, in das der zylindrische Vorsprung 7b des umlaufenden Spiralblatts 7 der Pumpe einer zweiten Stufe drehbar gleitend eingesetzt ist.
Die Umfangswand des Gehäuseteils 2 verfügt über ein Absaugloch 2b, das zum Absaugen von Gas aus einem abgedichteten Behälter (nicht dargestellt) mit diesem verbunden ist. Die Spiralwindung 4 der Pumpe einer ersten Stufe, die ebenfalls über Spiralform verfügt, ist in die Fläche der Innenwand 2e des Gehäuseteils 2 eingebettet. In die Endfläche der Windung 4 ist erneut eine Enddichtung 23 mit Selbstschmiereigenschaften und Elastizität in der Druckrichtung eingesetzt.
Die umlaufende Spiralwindung 8 der Pumpe einer ersten Stufe, die im Wesentlichen über dieselbe Spiralform wie die stationäre Spiralwindung 4 dieser Pumpenstufe verfügt, ist in das umlaufende Spiralblatt 6 der Pumpe einer ersten Stufe eingebettet. Die Windungen 4 und 8 sind im Gehäuseteil 2 mit einer um 180° außer Phase befindlichen Beziehung zueinander angeordnet.
In einem bevorzugten Fall sind das Maximal- und das Minimalvolumen Vmax und Vmin der durch die stationäre und die umlaufende Windung 4 und 8 der Pumpe einer ersten Stufe gebildeten Gastasche auf 189,7 bzw. 82,7 ccm eingestellt, und das Volumenverhältnis ist auf 2,29 eingestellt.
Das Spiralblatt 6 der Pumpe einer ersten Stufe verfügt über einen zentralen zylindrischen Abschnitt 6b, der sich in der Einbettungsrichtung der Windung 8 erstreckt, und nahe dem zylindrischen Abschnitt 6b verfügt es über Positionierlöcher 6c, die auf die Stifte 7c auf dem zylindrischen Vorsprung 7b des umlaufenden Spiralblatts 7 der Pumpe einer zweiten Stufe aufgesetzt sind. Das Spiralblatt 6 der Pumpe einer ersten Stufe ist an dem, 7, der Pumpe einer zweiten Stufe durch Schrauben 27 befestigt, die durch Schraubenlöcher in ihm in einer Reihe nahe den Positionierlöchern 6c eingeführt sind.
Ähnlich wie die in die Endfläche der Spiralwindung 4 eingesetzte Enddichtung 23 ist eine Enddichtung 23 mit Selbstschmiereigenschaft und Elastizi tät in der Druckrichtung in die Endfläche der Spiralwindung 8 der Pumpe einer ersten Stufe eingesetzt. Wie bereits beschrieben, verfügen die Endflächen der Spiralwindungen 4 und 8, die mit den entsprechenden Spiralblättern in Kontakt stehen, über Dichtungsnuten, in die die Enddichtungen 23 für schmiermittelfreies Gleiten über das entsprechende Spiralblatt eingesetzt sind, so dass diese Enddichtungen 23 nach außen hin die Gasdichtheit der durch die Windungen 4 und 8 gebildeten Gastasche nach außen aufrecht erhalten.
Das Gehäuse 11 ist mittels einer Dichtpackung 38 am Gehäuseteil 2 befestigt.
Die 11(a) und 11(b) sind Blockdiagramme, die Steuervorrichtungen zum Steuern von Vakuumpumpen mit Schneckenmechanismen zeigen, die jeweils aus einer Kombination einer stationären Spirale und einer umlaufenden Spirale bestehen. Im Fall der 11(a) ist mit dem Absauganschluss eines abgedichteten Behälters 35 der Absauganschluss des Vakuumpumpenkörpers 1 verbunden, der durch einen Motor 32 angetrieben wird, der seinerseits durch eine elektronische Steuervorrichtung 34A gesteuert wird. Die elektronische Steuervorrichtung 34A verfügt über eine Messeinrichtung zum Messen des Gasdrucks im abgedichteten Behälter 35, und die Drehzahl des Motors 32 wird entsprechend dem von der Messeinrichtung erhaltenen Messwert gesteuert.
Im Fall der 11(b) ist der Absauganschluss des Vakuumpumpenkörpers 10 erneut mit dem Absauganschluss eines abgedichteten Behälters 35 verbunden. In diesem Fall verfügt jedoch der Vakuumpumpenkörper 10 über eine von einem Motor 33 angetriebene erste Schneckenmechanismusstufe und eine von einem Motor 32 angetriebene zweite Schneckenmechanismusstufe, wobei die Motoren 32 und 33 durch eine elektronische Steuervorrichtung 34A gesteuert werden. Wie im Fall der 11(a) verfügt die elektronische Steuervorrichtung 34A über eine Messeinrichtung zum Messen des Gasdrucks im abgedichteten Behälter 35, und die Drehzahl der Motoren 32 und 33 wird entsprechend dem durch die elektronische Steuervorrichtung 34A erhaltenen Messwert gesteuert.
Nun wird der Betrieb der in der 1 dargestellten Pumpe beschrieben.
Wie es in den 1 und 11(a) dargestellt ist, ist das Absaugloch 2b des Vakuumpumpenkörpers 1 über eine Leitung mit dem Absauganschluss des abgedichteten Behälters 35 verbunden, und die Antriebsachse des Vakuumpumpenkörpers 1 ist mit dem Motor 32 verbunden, der seinerseits mit der elektro nischen Steuervorrichtung 34A verbunden ist. Wenn der Motor 32 durch die elektronische Steuervorrichtung 34A angesteuert wird, beginnen sich die Spiralblätter 6 und 7 der Pumpe einer zweiten Stufe zu drehen.
Durch die Drehung der Antriebsachse 28 erfährt der zylindrische Vorsprung 7b des Spiralblatts 7 der Pumpe einer zweiten Stufe, mit Exzentrizität zur Antriebsachse 28, eine Umdrehung entsprechend der Kurbellänge der Umlaufmechanismen 37 (3), und er erfährt daher einen vertikalen Hin- und Herlauf im Loch 2a des Gehäusesteils 2 in Reibungskontakt mit der Fläche des Lochs 2a, wie es in der 2(a) dargestellt ist. D. h., dass dafür gesorgt wird, dass das umlaufende Spiralblatt 7 eine Umdrehung in der Gegenuhrzeigerrichtung mit vorbestimmtem Radius um das Zentrum der stationären Spiralwindung 4 erfährt, ohne gedreht zu werden.
Die umlaufende Spiralwindung 8 der Pumpe einer ersten Stufe erfährt so eine Umdrehung in der Gegenuhrzeigerrichtung in der 2(a) in Reibkontakt mit der Wandfläche der stationären Spiralwindung 4 der Pumpe einer ersten Stufe, und das Ende 8a der Windung 8 erfährt eine Drehung unter Einschränkung durch eine R-förmige Wandfläche 2h, und entlang dieser, die sich vom Ende der Windung 4 im Zentrum des Gehäuseteils 2 erstreckt, wodurch komprimiertes Gas durch das Loch 2a abgesaugt wird.
Andererseits erfährt die umlaufende Spiralwindung 9 der Pumpe einer zweiten Stufe, die einstückig mit dem Lager 7b ausgebildet ist, eine Drehung in der Gegenuhrzeigerrichtung in der 2(b) in Reibkontakt mit der Wandfläche der stationären Spiralwindung 5 der Pumpe einer zweiten Stufe, und das Ende 9a der Windung 9 erfährt eine Drehung unter Einschränkung durch eine R-förmige Wandfläche 3h, und entlang dieser, die sich vom Ende der Windung 5 im Zentraum des Gehäuseteils 3 erstreckt, wodurch komprimierte Luft aus dem Absauganschluss 3b abgesaugt wird.
Nun wird der Betrieb dieser Pumpe detaillierter beschrieben.
Wenn der Absauganschluss 2b und der abgedichtete Behälter 35 durch eine Leiter miteinander verbunden sind, wird der Raum 2g (4(a) bis 4(d)), der mit dem Anschluss 2b in Verbindung steht, im die erste Pumpenstufe bildenden Gehäuseteil 2 mit Gas mit demselben Druck wie dem im abgedichteten Behälter 35 gefüllt.
Mit der Drehung der umlaufenden Spirale der ersten Pumpenstufe wird das Gas im Raum 2g in die Gastasche auf maximalem Volumen Tmax abgesaugt, deren Außenseite durch die stationäre Spiralwindung 4 gebildet ist und deren Innenseite durch die umlaufende Spiralwindung 8 gebildet ist, und auch in die Gastasche mit dem Maximalvolumen Smax, deren Außenseite durch die umlaufende Spiralwindung 8 gebildet ist und deren Innenseite durch die stationäre Spiralwindung 4 gebildet ist, wie es in den 4(a) und 4(d) dargestellt ist.
Mit der Umdrehung der umlaufenden Spiralwindung 8 wird vom in die Gastaschen mit den Maximalvolumina Tmax und Smax abgesaugten Gas dasjenige in der Gastasche Tmax in das der Gastasche mit dem Minimalvolumen Tmin komprimiert, wie es in der 4(b) dargestellt ist. Wenn zwischen dem Ende 8a der Windung 8 und der R-förmigen Wandfläche 2h mit weiterer Drehung der Windung 8 ein Zwischenraum entsteht, wie es in der 4(c) dargestellt ist, wird das komprimierte Gas durch den Zwischenraum in das Loch 2a ausgeblasen.
Das in die Gastasche Smax abgesaugte Gas wird andererseits in eine Gastasche mit dem Minimalvolumen Smin komprimiert, wie es in der 4(c) dargestellt ist. Wenn der Zwischenraum zwischen dem Ende 4a der Windung 4 im zugehörigen Zentrum und der Innenwandfläche der umlaufenden Spiralwindung 8 bei weiterer Umdrehung der umlaufenden Windung geöffnet wird, wie es in der 4(d) dargestellt ist, wird komprimiertes Gas durch den Zwischenraum in das Loch 2a ausgeblasen.
Das ausgeblasene, komprimierte Gas strömt vom Loch 2a vom zentralen Teil zum Außenumfangsteil des Spiralblatts 7 der zweiten Pumpenstufe zum im Gehäuse 3 ausgebildeten Raum 3g, um einen Raum auf der Rückseite des Spiralblatts 7 und des Raums 3g aufzufüllen.
In einem Anfangszustand des Pumpenbetriebs ist der Druck im abgedichteten Behälter 35 derselbe wie der Atmosphärendruck, und das durch die Spiralen der ersten Pumpenstufe abgesaugte Gas füllt den Raum 3g mit dem Doppelten des Atmosphärendrucks.
Da der Druck im Raum 3g höher als der Atmosphärendruck ist, ist das Drucksteuerventil 25, das im Loch 3d angeordnet ist, das mit dem mit dem Äußeren in Verbindung stehenden Auslassanschluss 3c in Verbindung steht, offen, und das komprimierte Gas wird nach außen ausgeblasen.
Indessen wird im Anfangsstadium des Betriebs in der zweiten Schneckenmechanismusstufe nicht nur der Raum 3g, sondern auch die durch die stationäre und die umlaufende Spiralwindung 5 und 9 gebildete Gastasche mit Gas gefüllt, das im Wesentlichen unter demselben Druck wie dem Atmosphärendruck steht.
Dies beruht auf einem Auslecken von Gas durch einen kleinen Zwischenraum zwischen der stationären und der umlaufenden Spiralwindung. Während das Gasleck während des Betriebs ignoriert werden kann, wird der Druck, wenn das System für lange Zeit unter Atmosphärendruck verbleibt, aufgrund von durch den oben genannten Zwischenraum eindringenden Gas im Wesentlichen derselbe wie der Atmosphärendruck.
Im Anfangsstadium des Betriebs saugt der Schneckenmechanismus der zweiten Pumpenstufe Gas im Wesentlichen unter dem Atmosphärendruck ab, und er saugt Gas unter Atmosphärendruck ab und komprimiert es, bis der Druck des Gemischs aus dem aus dem Schneckenmechanismus der ersten Pumpenstufe ausgeblasenen Gas und dem im Raum 3g vorhandenen Gas niedriger als der Atmosphärendruck wird.
Demgemäß werden die Form und die Abmessungen desselben unter Berücksichtigung der Temperatureigenschaften der in die Endflächen der Windung eingesetzten Enddichtungen 23, der Drehzahl der umlaufenden Windung, des Maximalvolumens des durch die umlaufende Windung abgesaugten Gases, des Kompressionsverhältnisses, der Kühlfunktion des Lüfters 22, der Zeit, bis der Gasdruck im Raum 3g niedriger als der Atmosphärendruck wird, konzipiert, und er wird innerhalb dieser grundlegenden Designbereiche betrieben.
Durch die Drehung der umlaufenden Windung der zweiten Pumpenstufe wird das Gas im Raum 3g in die Gastasche mit dem Maximalvolumen Wmax abgesaugt, deren Außenseite durch die stationäre Spiralwindung 5 gebildet ist und deren Innenseite durch die umlaufende Spiralwindung 9 gebildet ist, und es wird auch in die Gastasche mit dem Maximalvolumen Xmax abgesaugt, deren Außenseite durch die umlaufende Spiralwindung 9 gebildet ist und deren Innenseite durch die stationäre Spiralwindung 5 gebildet ist, wie es in den 5(a) und 5(b) dargestellt ist.
Mit der Umdrehung der umlaufenden Spiralwindung 9 wird hinsichtlich des in die Gastaschen mit den Maximalvolumina Wmax und Xmax abgesaugten Gases dasjenige in der Gastasche Xmax in eine Gastasche mit dem Minimalvolumen Xmin komprimiert, wie es in der 5(b) dargestellt ist. Wenn der Zwischenraum zwischen dem Ende 9a der Windung 9 und der Wandfläche 3j des zentralen Teils der stationären Spiralwindung 5 bei weiterer Drehung des Umlaufs der Windung 9 geöffnet wird, wie es in der 5(c) dargestellt ist, wird das komprimierte Gas durch den Zwischenraum in das Loch 3b ausgeblasen.
Das in die Gastasche Wmax abgesaugte Gas wird andererseits in eine minimale Gastasche Wmin komprimiert, wie es in der 5(d) dargestellt ist. Wenn sich zwischen der R-förmigen Wandfläche 3i im Zentrum der Windung 5 und dem Ende 9a der umlaufenden Spirale 9 ein Zwischenraum bildet, wird das komprimierte Gas durch diesen Zwischenraum in das Loch 3b ausgeblasen.
Wenn der Druck im abgedichteten Behälter 35 mit Fortschreiten des Evakuierens des Behälters abnimmt, nimmt die Menge des abgesaugten Gases ab.
Wenn die elektronische Steuervorrichtung 34A diese Druckabnahme erkennt, erhöht sie die Drehzahl des Motors 32, um die Verringerung der Menge an abgesaugtem Gas wettzumachen.
Die Drehzahl des Motors kann auch nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitperiode gesteuert werden, wobei Parameter, wie das Volumen des abgedichteten Behälters, das Funktionsvermögen der Vakuumpumpe usw., vorab in die elektronische Steuervorrichtung 34A eingegeben werden.
Wie oben angegeben, wird, während die zweite Schneckenmechanismusstufe Gas im Wesentlichen unter dem Atmosphärendruck komprimieren kann, um es nach außen auszublasen, komprimiertes Gas unter einem Druck über dem Atmosphärendruck, von der ersten Schneckenmechanismusstufe geliefert, durch das Drucksteuerventil umgeleitet, um nach außen ausgeblasen zu werden. So saugt die zweite Schneckenmechanismusstufe weder Ges unter Überdruck an noch komprimiert sie solches, so dass sie frei von einer Verringerung ihres Standvermögens oder einer Zerstörung ist, wie sie andernfalls aus der Erzeugung von viel Wärme entstehen könnten.
Die 6 zeigt, in einer Schnittansicht, eine ölfreie, zweistufige Vakuumpumpe als zweite Ausführungsform der Erfindung. Gemäß der Figur verfügt die allgemein mit 10 gekennzeichnete, dargestellte, ölfreie, zweistufige Vakuumpumpe grundsätzlich über zwei stationäre Spiralwindungen 14 und 15, die in einem durch Gehäuseteile 13 und 20 gebildeten Gehäuseraum angeordnet sind, zwei umlaufende Spiralwindungen 18 und 19, die in umlaufende Spiral blätter 16 und 17 eingebettet sind, die ebenfalls im Gehäuseraum entsprechend den jeweiligen stationären Spiralwindungen 14 und 15 angeordnet sind, Antriebsachsen 29 und 30, die sich in den Gehäuseraum erstrecken, um die umlaufenden Spiralen anzutreiben, und Lüfter 22, die auf den Antriebsachsen 29 und 30 montiert sind, um die Gehäuseteile 13 und 20 zu kühlen.
Die Stirnwand 13e des Gehäuseteils 13 ist mit einem zentralen Loch 13a versehen, dessen rechter Teil über eine Fleckfläche 13f mit größerem Durchmesser verfügt. Die Antriebsachse 29, die mit einem Motor (nicht dargestellt) verbunden ist, ist drehbar so in das Loch 13a eingesetzt, dass sie in einem in der Fleckfläche 13f vorhandenen Lager gehalten wird.
Die Außenseite der Stirnwand des Gehäuseteils 13 verfügt über mehrere radial beabstandete Rippen 41, die sich ausgehend von ihrem Zentrum zu ihrem Rand erstrecken, und auf den Rippen 41 ist eine Abdeckung 36 mit mehreren Belüftungslöchern 36a montiert. Wenn sich der Lüfter 22 dreht, strömt Kühlluft, die von oben her in der 6 in den durch das Gehäuseteil 13 und die Abdeckung 36 gebildeten Raum eintritt, nach rechts, wie es durch Pfeile dargestellt ist.
Die Spiralwindung 15 der zweiten Pumpenstufe, die über Spiralform verfügt, ist in die Innenwand 13e des Gehäuseteils 13 eingebettet, und in die Endfläche der Windung 15 ist eine Enddichtung mit Selbstschmiereigenschaft und Elastizität in der Druckrichtung eingesetzt.
Nahe dem Loch 13a ist ein Loch 13b zum Ausblasen komprimierten Gases vorhanden, das durch ein Rückschlagventil 24 mit einem Auslassanschluss 13c verbunden werden kann, der mit der Außenseite in Verbindung steht.
Wenn der Druck komprimierten Gases im Loch 13b den Atmosphärendruck im Äußeren überschreitet, öffnet das Rückschlagventil 24, um das Loch 13b mit dem Auslassanschluss 13c in Verbindung zu bringen, um das komprimierte Gas nach außen auszublasen. Wenn der Druck im Loch 13b niedriger als der Atmosphärendruck wird, schließt das Rückschlagventil 34, um für einen Rückfluss von externem Gas in das Loch 13b zu sorgen. Auf diese Weise kommt es beim Start der Pumpe zu keiner zusätzlichen Antriebsbelastung.
Das Gehäuseteil 13 verfügt über eine unabhängige Umfangswand 13h, die ihre Stirnwand 13e umgibt, um seitens der Stirnwand 13e ihre Gasdichtheit aufrecht zu erhalten. Die Stirnwand 13a verfügt über ein weiteres Loch 13d, das angrenzend an den Außenumfang der stationären Spiralwindung 15 der zweiten Pumpenstufe und auch benachbart zur Innenseite der Umfangswand 13h ausgebildet ist. Das Loch 13d kann durch ein Drucksteuerventil 25 mit dem Auslassanschluss 13c verbunden werden, der mit dem Äußeren in Verbindung steht.
Wenn der Druck von komprimiertem Gas in einem geschlossenen Raum oder einer durch die Umfangswand 13h und die Spiralwindung 15 der zweiten Pumpenstufe gebildeten Gastasche 13g den Atmosphärendruck im Äußeren überschreitet, wird das Drucksteuerventil 25 geöffnet, um das Loch 13d mit dem Auslassanschluss 13c zu verbinden, um das komprimierte Gas nach außen auszublasen. Wenn der Druck in der Gastasche 13g niedriger als der Atmosphärendruck im Äußeren wird, wird das Drucksteuerventil 25 geschlossen, so dass die zweite Pumpenstufe das komprimierte Gas unter hohem Druck absaugt. Die Temperatur innerhalb der zweiten Pumpenstufe wird demgemäß so gesteuert, dass sie nicht über eine vorbestimmte Temperatur ansteigt.
Die umlaufende Spiralwindung 19 der zweiten Pumpenstufe, die im Wesentlichen dieselbe Form wie die oben angegebene Spiralwindung 15 der zweiten Pumpenstufe aufweist, ist in das Spiralblatt 17 der zweiten Pumpenstufe eingebettet, das im Gehäuseteil 13 angeordnet ist. Die Windungen 15 und 19 greifen mit einer um 180° phasenverschobenen Beziehung ineinander.
In einem bevorzugten Fall sind das Maximalvolumen und das Minimalvolumen der durch die stationäre und die umlaufende Spiralwindung 15 und 19 der zweiten Pumpenstufe gebildeten Gastasche auf 56,6 bzw. 19,1 ccm eingestellt, und das Volumenverhältnis ist auf 2,06 eingestellt.
Das umlaufende Spiralblatt 17 verfügt über einen zentralen, zylindrischen Vorsprung 17b mit einer zentralen Bohrung 17c, dessen linker Teil über eine Fleckfläche 17f mit größerem Durchmesser sitzt, in der ein Lager gehalten wird. Die mit einem Motor (nicht dargestellt) verbundene Antriebsachse 29 verfügt über eine exzentrische Verlängerung 29a, die drehbar im in der Fleckfläche 17f vorhandenen Lager gehalten ist.
In die Endfläche der umlaufenden Spiralwindung 19 der zweiten Pumpenstufe im oben angegebenen Spiralblatt 17 ist eine Enddichtung 23 mit Selbstschmiereigenschaft und Elastizität in der Druckrichtung eingesetzt. Eine ähnliche Enddichtung 23 ist auch in die Endfläche der stationären Spiralwindung 15 der zweiten Pumpenstufe eingesetzt. Genauer gesagt, verfügen die Endflächen der Spiralwindungen 15 und 19, die mit den Spiralblättern 19 bzw. 15 in Kontakt stehen, über Abdichtungsnuten, in die die selbstschmierenden Enddichtungen 23 für schmiermittelfreies Gleiten über die entsprechenden Spiralblätter eingesetzt sind. Die Enddichtungen 23 halten so die Gasdichtheit der durch die Spiralwindungen 5 und 9 gebildeten Gastasche nach außen hin aufrecht.
Die Fläche der umlaufenden Spiralwindung 17 der zweiten Pumpenstufe ist auf ihrer von der Windung 18 abgewandten Seite angrenzend an ihren Rand mit drei Verbindungsstücken des Umlaufmechanismus verbunden, die unter einem radialen Abstandswinkel von 120° angeordnet sind und mit dem jeweiligen Umlaufmechanismus 47 mittels Kurbelwellen verbunden sind, die mit einem Gehäuseteil 12 der ersten Pumpenstufe, die später beschrieben wird, verbunden sind.
Wenn sich die Antriebsachse 29 dreht, läuft das umlaufende Spiralblatt 17 demgemäß in der 6 vertikal hin und her, d. h., es erfährt eine Drehung entsprechend der Länge oder der Kurbel des Umlaufmechanismus 47. D. h., dass sich das umlaufende Spiralblatt 17 mit einem vorbestimmten Radius um das Zentrum der stationären Spiralwindung 15 drehen kann, ohne dass es sich dreht.
Das Gehäuseteil 12 ist mittels einer Dichtpackung 38 durch Schrauben oder dergleichen am Gehäuseteil 13 befestigt.
Die Umfangswand des Gehäuses 12 verfügt über einen Auslassanschluss 12b, der mit einem abgedichteten Behälter (nicht dargestellt) verbunden ist, um aus diesem Gas abzusaugen. Die Spiralwindung 14 der ersten Pumpenstufe, die über Spiralform verfügt, ist in die Innenwand 12e des Gehäuses 12 eingebettet, und in die Endfläche der Windung 14 ist eine Enddichtung 23 mit Selbstschmiereigenschaft und Elastizität in der Druckrichtung eingesetzt.
Die Innenwand 12e des Gehäuses 12 verfügt über eine zentrale Aussparung 12f, die auf ihrer der Windung 14 abgewandten Seite ausgebildet ist. Die Tiefe der Aussparung 12f ab der Oberseite der Windung 14 ist kleiner als die Dicke der Innenwand 12e. Zum Randabschnitt der Aussparung 12f ist ein Loch 12a geöffnet, um der zweiten Schneckenmechanismusstufe komprimiertes Gas zuzuführen.
Der jeweilige Schaft dreier Umlaufmechanismen 37, deren eines Ende mit dem umlaufenden Spiralblatt 17 der zweiten Pumpstufe verbunden ist, ist am Außenumfang des Gehäuseteils 12 mit einem Winkelintervall von 120° vorhanden.
Die umlaufende Spiralwindung 18 der ersten Pumpenstufe, die im Wesentlichen dieselbe Spiralform wie die stationäre Spiralwindung 14 dieser Pumpenstufe aufweist, ist in das umlaufende Spiralblatt 16 der ersten Pumpenstufe eingebettet. Die Windungen 14 und 18 sind im Gehäuseteil 12 mit um 180° verschobener Phasenbeziehung zueinander angeordnet.
Ein Ende der drei Umlaufmechanismen 47 ist mit dem umlaufenden Spiralblatt 17 der zweiten Pumpenstufe verbunden, wobei ihre Schäfte auf dem umlaufenden Spiralblatt 16 der ersten Stufe angrenzend an deren Rand mit einem Winkelintervall von 120° vorhanden sind.
Das umlaufende Spiralblatt 16 der ersten Pumpenstufe verfügt über einen zentralen zylindrischen Abschnitt 16b, der sich in der Einbettungsrichtung der Windung 18 erstreckt und über ein Ende verfügt, das drehbar auf einer exzentrischen Verlängerung 30a der Antriebsachse 30 vorhanden ist, wobei das Ende über eine Enddichtung 23 mit der Oberfläche der Aussparung 12f des Gehäuseteils 12 in Kontakt steht.
In einem bevorzugten Fall sind das Maximalvolumen Vmax und das Minimalvolumen Vmin der durch die stationäre und die umlaufende Windung 14 und 18 der ersten Pumpenstufe gebildeten Gastasche auf 189,7 bzw. 82,7 ccm eingestellt, und das Volumenverhältnis ist auf 2,29 eingestellt.
Wie die in die Endfläche der Spiralwindung 14 eingesetzten Enddichtungen 23 ist eine Enddichtung 23 mit Selbstschmiereigenschaft und Elastizität in der Druckrichtung in die Endfläche der umlaufenden Spiralwindung 18 der ersten Pumpenstufe eingesetzt. Wie oben beschrieben, verfügen die mit den entsprechenden Spiralblättern in Kontakt stehenden Endflächen der Spiralwindung 14 und 18 über Abdichtungsnuten, in die die Enddichtungen 23 für schmiermittelfreies Gleiten über die entsprechenden Spiralblätter eingesetzt sind, damit diese Enddichtungen 23 die Gasdichtheit der durch die Windungen 14 und 18 gebildeten Gastasche nach außen aufrecht erhalten.
Das Gehäuseteil 20 ist mittels einer Dichtpackung 38 am Gehäuseteil 12 befestigt.
Die Innenwand 20e des Gehäuses 20 verfügt über eine zentrale Bohrung 20a, deren linker Teil über eine Fleckfläche 20f mit größerem Durchmesser verfügt, in der ein Lager vorhanden ist. Die mit einem Motor (nicht dargestellt) verbundene Antriebsachse 30 ist so drehbar in die Bohrung 30a eingesetzt, dass sie im in der Fleckfläche 20f vorhandenen Lager gehalten wird.
Die Außenwandfläche des Gehäuseteils 20 verfügt über mehrere radial beabstandete Rippen 40, die sich vom Zentrum zu ihrem Umfang erstrecken, und auf den Rippen 40 ist eine Abdeckung 36 mit mehreren Belüftungslöchern 36a angebracht. Wenn sich der Lüfter 22 dreht, strömt von oben in der 6 her in den durch das Gehäuseteil 20 und die Abdeckung 36 gebildeten Raum eintretende Kühlluft nach links, wie es durch Pfeile dargestellt ist.
Nun wird unter Bezugnahme auf die 11(b) der Betrieb der Pumpe mit der in der 6 dargestellten und oben beschriebenen Konstruktion beschrieben.
Gemäß der 6 steuert die elektrische Steuervorrichtung 34A den Motor 33 an, um die erste Schneckenmechanismusstufe anzutreiben.
Gemäß der 6 wird Gas unter im Wesentlichen demselben Druck wie dem Atmosphärendruck durch den Absauganschluss 12b des Gehäuseteils 12 in die erste Schneckenmechanismusstufe abgesaugt, und komprimiertes Gas wird vom Auslassanschluss 12a in den Raum 13g im Gehäuseteil 13 ausgeblasen.
In einem Anfangsstadium des Pumpenbetriebs befindet sich das ausgeblasene Gas unter einem Druck über dem Atmosphärendruck, und das komprimierte Gas wird durch das Drucksteuerventil 25 nach außen ausgeblasen.
Nachdem eine Zeit verstrichen ist, die unter Berücksichtigung des Volumens des abgedichteten Behälters 35, des Absaugvolumens und der Drehzahl der umlaufenden Spirale der ersten Pumpenstufe berechnet wurde, steuert die elektrische Steuervorrichtung 34A den Motor 32 an.
Ungefähr zu diesem Zeitpunkt wird der Druck des durch die Spiralen der ersten Pumpenstufe komprimierten und in den Raum 13g ausgeblasenen Gases niedriger als der Atmosphärendruck, so dass das Drucksteuerventil 25 geschlossen wird.
Danach wird das aus der ersten Schneckenmechanismusstufe ausgeblasene kom primierte Gas in der zweiten Schneckenmechanismusstufe komprimiert, um aus dem Loch 13b ausgeblasen zu werden.
Wenn der Druck im durch die Vakuumpumpe evakuierten abgedichteten Behälter 35 abnimmt, wird die Drehzahl der Motoren 33 und 32 durch die elektrische Steuervorrichtung 34A erhöht. Dies hat den Effekt, die Verringerung der Rate des aus dem abgedichteten Behälter ausgeblasenen Gases wettzumachen und die Bearbeitungszeit zu verkürzen.
Die 7 zeigt eine ölfreie, zweistufige Vakuumpumpe als dritte Ausführungsform der Erfindung.
In der 4 ist die ölfreie, zweistufige Vakuumpumpe als dritte Ausführungsform der Erfindung allgemein mit 100 gekennzeichnet, und sie verfügt zusätzlich über einen Gehäuseraum bildende Gehäuseteile 102 und 103, zwei stationäre Spiralwindungen 104 und 105, die im Gehäuseraum angeordnet sind, zwei umlaufende Spiralwindungen 108 und 109, die in umlaufende Spiralblätter 106 und 107 eingebettet sind, die ebenfalls entsprechend den jeweiligen stationären Spiralwindungen 104 und 105 im Gehäuseraum angeordnet sind, eine Antriebsachse 31, die sich in den Gehäuseraum erstreckt, um die umlaufende Spirale anzutreiben, und einen Lüfter 22, der an der Antriebsachse 31 angebracht ist, um die Gehäuseteile 103 und 102 zu kühlen.
Die Stirnwand 103e des Gehäuseteils 103 ist mit einem zentralen Loch 103a versehen, dessen rechter Teil über eine Fleckfläche 103f mit größerem Durchmesser verfügt, um ein Lager zu halten. Die Antriebsachse 31, die mit einem Motor (nicht dargestellt) verbunden ist, ist so drehbar in das Loch 13a eingesetzt, dass sie im in die Fleckfläche 103f eingesetzten Lager gehalten wird.
Die Außenfläche der Stirnwand des Gehäuseteils 103 verfügt über eine Anzahl radial beabstandeter Rippen 42, die sich ausgehend von ihrem Zentrum zu ihrem Rand erstrecken, und auf den Rippen 42 ist eine Abdeckung 36 mit mehreren Belüftungslöchern 36a angebracht. Wenn sich der Lüfter 22 dreht, strömt Kühlluft, die von oben in der 7 in den durch das Gehäuseteil 3 und die Abdeckung 36 gebildeten Raum eintritt, nach rechts, wie es durch Pfeile dargestellt ist.
Die Spiralwindung 15 der zweiten Pumpenstufe, die über Spiralform verfügt, ist in eine Stirnwand 103e des Gehäuseteils 103 eingebettet. In die Endflä che der Spiralwindung 105 ist eine Enddichtung 23 mit Selbstschmiereigenschaften und Elastizität in der Druckrichtung eingesetzt.
Nahe dem Loch 103a ist ein Loch 103b zum Ausblasen von komprimiertem Gas vorhanden, das durch ein Rückschlagventil 24 mit einem Auslassanschluss 103c verbunden werden kann, der mit der Außenseite in Verbindung steht.
Wenn der Druck komprimierten Gases im Loch 103b den Atmosphärendruck der Außenseite überschreitet, öffnet das Rückschlagventil 24, um das Loch 103 mit dem Auslassanschluss 103c zu verbinden, um das komprimierte Gas nach außen auszublasen. Wenn der Druck komprimierten Gases im Loch 103 niedriger als der Atmosphärendruck wird, schließt das Rückschlagventil 24, um eine Rückwärtsströmung von externem Gas in das Loch 103b zu erlauben. Auf diese Weise ergibt sich beim Starten der Pumpe keine zusätzliche Antriebsbelastung.
Das Gehäuseteil 103 verfügt über eine unabhängige Umfangswand 3h, die ihre Stirnwand 3e umgibt, um Gasdichtheit seitens der Stirnwand 103e aufrecht zu erhalten. Die Stirnwand 103e verfügt über ein weiteres Loch 103d, das angrenzend an den Außenumfang der stationären Spiralwindung 105 der zweiten Pumpenstufe und auch angrenzend an die Innenseite der Umfangswand 103h ausgebildet ist. Das Loch 103d kann mittels eines Drucksteuerventils 25 mit dem Auslassanschluss 103c verbunden werden, der mit dem Äußeren in Verbindung steht.
Wenn der Druck komprimierten Gases in einem geschlossenen Raum oder einer Gastasche 103g, die durch die Umfangswand 103h und die stationäre Spiralwindung 105 der zweiten Pumpenstufe gebildet ist, den Atmosphärendruck im Äußeren überschreitet, wird das Drucksteuerventil 25 geöffnet, um das Loch 3d mit dem Auslassanschluss 103c zu verbinden, um das komprimierte Gas nach außen auszublasen. Wenn der Druck in der Gastasche 103g niedriger als der Atmosphärendruck wird, wird das Drucksteuerventil 25 geschlossen, damit die zweite Pumpenstufe komprimiertes Gas unter hohem Druck absaugt. Die Temperatur innerhalb der zweiten Pumpenstufe wird so in solcher Weise gesteuert, dass sie nicht über eine vorbestimmte Temperatur ansteigt.
Das Gehäuseteil 102 ist mittels einer Dichtpackung 38 und durch Schrauben am Gehäuseteil 103 befestigt.
Der Außenumfang des Gehäuseteils 102 verfügt über ein Loch 102b, das mit einem abgedichteten Behälter (nicht dargestellt) verbunden wird, um aus diesem Gas abzusaugen. Die Spiralwindung 104 der ersten Pumpenstufe, die über Spiralform verfügt, ist in die Innenwand 102e des Gehäuses 102 eingebettet. In die Endfläche der Windung 104 ist eine Enddichtung 23 mit Selbstschmiereigenschaft und Elastizität in der Druckrichtung eingesetzt.
Die Innenwand 102e des Gehäuseteils 102 verfügt über eine zentrale Bohrung 102a, deren linker Teil mit einer Fleckfläche 102f größeren Durchmessers zum Aufnehmen eines Lagers ausgebildet ist. Die mit einem Motor (nicht dargestellt) verbundene Antriebsachse 31 ist in solcher Weise drehbar in die Bohrung 102a eingesetzt, dass sie im in die Fleckfläche 102f eingesetzten Lager gehalten wird.
Die Außenseite der Stirnwand des Gehäuseteils 102 verfügt über eine Anzahl radial beabstandeter Rippen 43, die sich ausgehend von ihrem Zentrum zu ihrem Rand erstrecken. Auf den Rippen 43 ist eine Abdeckung 36 mit einer Anzahl von Belüftungslöchern 36a angebracht. Wenn sich der Lüfter 22 dreht, strömt Kühlluft, die in den durch das Gehäuseteil 102 und die Abdeckung 36 gebildeten Raum eintritt, nach links, wie es durch Pfeile in der 7 dargestellt ist.
Die Innenwand des Gehäuseteils 102 ist nahe ihrem Zentrum mit einem Loch 102a versehen, um komprimiertes Gas aus diesem auszublasen, wobei das komprimierte Gas dann durch einen Auslasskanal 102c zu den Spiralen der zweiten Pumpenstufe geliefert wird.
Der jeweilige Schaft dreier Umlaufmechanismen 37 ist unter einem Winkelintervall von 120° am Gehäuseteil 102 benachbart zu dessen Umfang vorhanden, und ein jeweiliges Ende ist mit dem umlaufenden Spiralblatt 106 verbunden.
Die umlaufende Spiralwindung 108 der ersten Pumpenstufe, die im Wesentlichen über dieselbe Spiralform wie die stationäre Spiralwindung 104 der ersten Pumpenstufe verfügt, ist in das im Gehäuseraum 102 vorhandene umlaufende Spiralblatt 106 eingebettet. Die Windungen 104 und 108 stehen mit einer um 180° gegeneinander versetzten Phasenbeziehung miteinander in Eingriff.
In einem bevorzugten Fall sind das Maximalvolumen Vmax und das Minimalvolumen Vmin der durch die stationäre und die umlaufende Spiralwindung 4 und 8 gebildeten Gastasche der ersten Pumpenstufe auf 189,7 bzw. 82,7 ccm eingestellt, und das Volumenverhältnis ist auf 2,29 eingestellt.
Die umlaufende Spiralwindung 107 der zweiten Pumpenstufe, die im Wesentlichen dieselbe Spiralform wie die stationäre Spiralwindung 105 der zweiten Pumpenstufe hat, ist in die Oberfläche 106g des umlaufenden Spiralblatts 106 eingebettet. Die Windungen 105 und 107 stehen mit einer um 180° versetzten Phasenbeziehung miteinander in Eingriff.
In einem bevorzugten Fall sind das Maximalvolumen und das Minimalvolumen der durch die stationäre und die umlaufende Spiralwindung 15 und 19 der zweiten Pumpenstufe gebildeten Gastasche auf 56,6 bzw. 19,1 ccm eingestellt, und das Volumenverhältnis ist auf 2,96 eingestellt.
Der jeweilige Schaft dreier stiftförmiger Kurbelmechanismen 37 ist unter einem Winkelintervall von 120° auf dem umlaufenden Spiralblatt 106 angrenzend an dessen Umfang vorhanden, und die Schäfte sind mit dem Gehäuseteil 102 verbunden.
Das umlaufende Spiralblatt 106 verfügt über einen zentralen, exzentrischen, zylindrischen Vorsprung 106b, der sich in der Einbettungsrichtung der Windung 108 erstreckt und der drehbar mit einer Verlängerung 31a der Antriebsachse 31 verbunden ist, wobei ein Ende desselben über eine Enddichtung 23 mit einer polierten Fläche 102e des Gehäuseteils 102 in Kontakt steht.
Der zentrale, zylindrische Vorsprung 106b des Blatts 106 verfügt über eine zentrale Bohrung 106a, deren linker Teil mit einer Fleckfläche 106f größerern Durchmessers zum Halten eines Lagers ausgebildet ist. Die exzentrische Verlängerung 31a der mit einem Motor (nicht dargestellt) verbundenen Antriebsachse 31 ist im in der Fleckfläche 106f vorhandenen Lager drehbar gehalten.
Nun wird der Betrieb der in der 7 dargestellten Pumpe mit dem obigen Aufbau unter Bezugnahme auf die 11(a) beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 11(a) steuert die elektrische Steuervorrichtung 34A den Motor 32 so an, dass er das umlaufende Spiralblatt 106 antreibt.
Gemäß der 7 wird Gas mit im Wesentlichen demselben Druck wie dem Atmosphärendruck in den im Gehäuseteil 102 vorhandenen Absauganschluss 102b abgesaugt. Das abgesaugte Gas wird durch die umlaufende und die stationäre Spiralwindungen 108 und 104 der ersten Pumpenstufe aufgenommen und komprimiert, und durch das Loch 102a wird komprimiertes Gas in den Raum 103g im Gehäuseteil 103 abgesaugt.
In einem Anfangsstadium des Pumpenbetriebs ist der Druck im abgedichteten Behälter 35 derselbe wie der Atmosphärendruck, und das durch die Spiralen der ersten Pumpenstufe entnommene Gas wird bis ungefähr auf das Doppelte des Atmosphärendrucks komprimiert, um den Raum 103g aufzufüllen.
Da der Raum 103g unter höherem Druck als dem Atmosphärendruck steht, wird das Drucksteuerventil 25, das im Loch 103d angeordnet ist, das mit dem Auslasskanal 103c in Verbindung steht, der seinerseits mit der Außenseite in Verbindung steht, offen gehalten, und das komprimierte Gas wird nach außen ausgeblasen.
Indessen wird im anfänglichen Pumpenbetriebsstadium in der zweiten Schneckenmechanismusstufe nicht nur der Raum 103g, sondern auch die durch die stationäre und die umlaufende Spiralwindung 105 und 107 gebildete Gastasche mit Gas gefüllt, das im Wesentlichen unter demselben Druck wie dem Atmosphärendruck steht.
So nimmt die zweite Schneckenmechanismusstufe im anfänglichen Pumpenbetriebsstadium das Gas auf und komprimiert es, um das komprimierte Gas in das Loch 103b auszublasen, bis der Druck des Gemischs aus dem durch die erste Schneckenmechanismusstufe ausgeblasenen Gas und dem Gas im Raum 103g niedriger als der Atmosphärendruck wird.
Mit fortschreitender Evakuierung des abgedichteten Behälters 35 fällt der Druck in diesem, wodurch die Gasabsaugrate fällt.
Die elektrische Steuervorrichtung 34A erkennt diese Druckverringerung, um die Drehzahl des Motors 32 zu erhöhen und die Verringerung der Gasabsaugrate wettzumachen.
Als alternative Anordnung kann die Drehzahl des Motors nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit gesteuert werden, wobei Parameter, wie das Volumen des abgedichteten Behälters, das Funktionsvermögen der Vakuumpumpe usw., vorab in die elektrische Steuervorrichtung 34A eingegeben werden.
Die 8(a) und 8(b) zeigen schematisch ölfreie, zweistufige Vakuumpumpen unter Verwendung einer antreibenden und einer angetriebenen Spirale als vierte Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß den Figuren verfügt die ölfreie, zweistufige Vakuumpumpe 200 über eine erste Vakuumpumpenstufe 200A und eine zweite Vakuumpumpenstufe 200B, die mit den entgegengesetzten Enden einer Antriebsachse 53 eines Motors 50 verbunden sind. Der Auslassabschnitt der zweiten Pumpenstufe 200B kann über ein Rückschlagventil 124 mit einem Auslasskanal 57 verbunden werden, der mit dem Äußeren in Verbindung steht. Der Auslassabschnitt der ersten Pumpenstufe 200A ist durch eine Leitung 56 mit dem Absaugabschnitt der zweiten Pumpenstufe 200B verbunden, und die Leitung 56 kann durch ein Druacksteuerventil 125, das geöffnet wird, um Gas auszublasen, wenn der Druck in der Leitung 56 einen vorbestimmten Druck überschreitet, zum Auslassakanal 57 umgangen werden.
Die erste und die zweite Vakuumpumpenstufe 200A und 200B werden nun im Einzelnen beschrieben.
Die 9 ist eine Schnittansicht, die die erste Vakuumpumpenstufe 200A im Detail zeigt. Gemäß dieser Figur sind Gehäuseteile 60A und 60B durch ein torusförmiges Zwischengehäuseteil 61, das durch Montageelemente (nicht dargestellt) zwischen ihnen angeordnet ist, einstückig ausgebildet.
Die Außenwand 60Ad des Gehäuseteils 60A ist mit einem zentralen Loch 60Ac versehen, das zu einer Innenwandfläche 60Ab geöffnet ist und von einer Antriebsachse 53A des Motors 50 drehend durchdrungen wird. Die Außenwand 60Bd des Gehäuseteils 60B ist mit einem zentralen Loch 60Bc versehen, das zu einer Innenwandfläche 60Bd geöffnet ist und von einem Achsenabschnitt eines Montagesitzes 67 drehbar durchdrungen wird.
Ein Montagesitz 66 erstreckt sich in solcher Weise drehbar in das Gehäuseteil 60A, dass er an der Antriebsachse 53A befestigt ist. Der Montagesitz 66 ist pilzförmig, und er verfügt über einen Schaftabschnitt und einen scheibenförmigen Abschnitt. Er verfügt über eine Bohrung, die sich durch seinen Schaft und den scheibenförmigen Abschnitt erstreckt, mit Befestigung an der Antriebsachse 53A. Der scheibenförmige Abschnitt verfügt über drei radial beabstandete Montageabschnitte 66B, und der Schaftabschnitt verfügt über drei Löcher 66A, durch die zwangsweise Kühlluft geschickt wird. Am Schaftabschnitt des Montagesitzes 66 ist ein Lager angebracht, das in einer im Gehäuseteil 60A ausgebildeten Aussparung 60Aa aufgenommen wird. Der Mon tagesitz 66 ist mit der Antriebsachse 53A befestigt, und in diesem Zustand ist er drehbar im Gehäuseteil 60A angeordnet. Die Umfangswand des Gehäuseteils 60A verfügt über eine Anzahl von Löchern 60Ag, durch die Kühlluft zum Kühlen einer Antriebsspirale 62 eintritt, sowie mehrere Löcher 60Ai, durch die die Kühlluft austritt.
Die Antriebsspirale 62 verfügt grundsätzlich über ein Spiralblatt, mehrere radial beabstandete Lüfterelemente 62a, die auf der Rückseite des Spiralblatts vorhanden sind und sich vom Zentrum zum Rand erstrecken, und eine Spiralwindung 63 mit Spiralform.
Die Rückseite der Antriebsspirale 62 ist mit drei Lüfterblättern 62c versehen, die mit einem Winkelintervall von 120° radial beabstandet sind, und der Montagesitz 66 ist durch den Montageabschnitt 66b auf oberen Abschnitten großer Dicke der Montageblätter 62c montiert.
Die Spiralwindung 63 ist in den Spiralblattteil 62 eingebettet, dessen Außenumfang mit drei in Umfangsrichtung beabstandeten Umlaufmechanismen 68 mit einem Winkelintervall von 120° versehen ist.
Mit den Umlaufmechanismen 68 ist eine angetriebene Spirale 64 mit einer Spiralwindung 65 verbunden, die über eine Windungsfläche verfügt, die der Windungsfläche der Windung 63 zugewandt ist.
Die angetriebene Spirale 64 verfügt über einen zylindrischen Vorsprung 64b, der auf ihrer von der Windung abgewandten Seite vorhanden ist. Der zylindrische Vorsprung 64b verfügt über eine zentrale Durchgangsbohrung 64a, die sich von der Oberfläche mit der darin eingebetteten Spirale zur Endfläche des zylindrischen Vorsprungs 64b erstreckt, um komprimiertes Gas nach außen auszublasen.
Die Rückseite der angetriebenen Spirale 64 ist mit drei Lüfterblättern versehen, die unter einem Winkelintervall von 120° beabstandet sind, und auf den Lüfterelementen 64a sind Montageabschnitte 67b des Montagesitzes 67 angebracht. Zwischen die Endfläche des zylindrischen Vorsprungs 64b und den Montagesitz 67 ist eine Dichtpackung 69 eingefügt, um für Gasdichtheit zu sorgen.
Der Montagesitz 67 ist pilzförmig, mit einem Schaftabschnitt und einem scheibenförmigen Abschnitt, und er verfügt über eine Bohrung 67c, die sich durch diese Abschnitte erstreckt, um komprimiertes Gas aus der Bohrung 64a der angetriebenen Spirale 64 nach außen auszublasen. Der scheibenförmige Abschnitt verfügt über drei radial beabstandete Montageabschnitte 67b, und der Schaftabschnitt verfügt über drei Löcher 67a, durch die zwangsweise Kühlluft geführt wird.
Der Schaftabschnitt des Montagesitzes 67 wird in einem Lager aufgenommen, das seinerseits in einem Loch 60Ba des Gehäuseteils 60B aufgenommen und an diesem befestigt ist. Der Schaftabschnitt verfügt über einen zylindrischen Vorsprung, der drehbar in eine Bohrung 60Bc des Gehäuseteils 60B eingesetzt ist.
Der Montagesitz 67 ist drehbar, mit der an ihm befestigten angetriebenen Spirale 64, in das Gehäuseteil 60B eingesetzt.
Die Umfangswand des Gehäuseteils 60B verfügt über mehrere Löcher Bg, durch die Kühlluft zum Kühlen der angetriebenen Spirale 64 eintritt, und mehrere Löcher 60Bi, durch die die Kühlluft austritt.
In einem bevorzugten Fall sind das Maximalvolumen Vmax und das Minimalvolumen Vmin der durch die antreibende und die angetriebene Spiralwindung 63 und 65 der ersten Vakuumpumpenstufe gebildeten Gastasche auf 169,7 ccm bzw. 82,7 ccm eingestellt, und das Volumenverhältnis ist auf 2,29 eingestellt.
Die 10 zeigt, in einer Schnittansicht, die zweite Vakuumpumpenstufe 200B im Detail. Ähnliche Teile wie in der 9 sind mit den gleichen Bezugszahlen und -symbolen gekennzeichnet.
Gemäß der Figur sind die Gehäuseteile 60A und 60B mittels des torusförmigen Zwischengehäuseteils 61, das durch Montageelemente (nicht dargestellt) zwischen sie eingefügt ist, einstückig ausgebildet.
Die Außenwand 60Ad des Gehäuseteils 60 ist mit einem zentralen Loch 60Ac versehen, das zur Innenwandfläche 60Ab hin öffnet und von einer Antriebsachse 53B des Motors 50 drehbar durchdrungen wird. Die Außenwand 60Bd des Gehäuseteils 60B ist mit einem zentralen Loch 60Bc versehen, das zu einer Innenwandfläche 60Bb hin geöffnet ist und von einem Schaftabschnitt eines Montageabschnitts 67 drehbar durchdrungen wird.
Ein Montagesitz 66 erstreckt sich drehbar in solcher Weise im Gehäuseteil 60A, dass er an der Antriebsachse 53B befestigt ist. Der Montagesitz 66 ist pilzförmig, und er verfügt über einen Schaftabschnitt und einen scheibenförmigen Abschnitt. Er verfügt über eine sich durch seinen Schaft und seinen scheibenförmigen Abschnitt erstreckende Bohrung, und er ist auf die Antriebsachse 53B aufgesetzt. Der scheibenförmige Abschnitt verfügt über drei radiale beabstandete Montageabschnitte 66b, und der Schaftabschnitt verfügt über drei Löcher 66a, durch die zwangsweise Kühlluft geführt wird. Auf den Schaftabschnitt des Montagesitzes 66 ist ein Lager aufgesetzt, das in einer im Gehäuseteil 60A ausgebildeten Aussparung 60Aa aufgenommen wird.
Die Umfangswand des Gehäuseteils 60A verfügt über eine Anzahl von Löchern 60Ag, durch die eine Antriebsschraube 62 kühlende Kühlluft eintritt, und eine Anzahl von Löchern 60Ai, durch die die Kühlluft austritt.
Die Antriebsspirale 62 verfügt im Wesentlichen über ein Spiralblatt, mehrere axial beabstandete Lüfterblätter 62a, die auf der Rückseite des Spiralblatts vorhanden sind und sich vom Zentrum zum Rand hin erstrecken, und eine Spiralwindung 63 mit Spiralform.
Die Rückseite der Antriebsspirale 62 ist mit drei Lüfterblättern 62a versehen, die radial mit einem Winkelintervall von 120° beabstandet sind, und der Montagesitz 66 ist durch die Montageabschnitte 66b an den Montageabschnitten 62a angebracht.
Die Spiralwindung 63 ist in die Antriebsspirale 62 eingebettet, deren Außenumfang mit den drei Umlaufmechanismen 68 versehen ist, die unter einem Winkelintervall von 120° in der Umfangsrichtung beabstandet sind.
Mit dem Umlaufmechanismus 68 ist eine angetriebene Spirale 64 mit einer Spiralwindung 65 verbunden, die über eine der Windungsfläche der Windung 63 zugewandte Windungsfläche verfügt.
Die angetriebene Spirale 64 verfügt über einen zylindrischen Vorsprung 64b, der auf ihrer der Windung abgewandten Seite vorhanden ist. Der zylindrische Vorsprung 64b verfügt über eine zentrale Durchgangsbohrung 64a, die sich von der Seite mit der eingebetteten Windung zur Endfläche des zylindrischen Vorsprungs 64b erstreckt, um komprimiertes Gas nach außen auszublasen.
Die Rückseite der angetriebenen Spirale 64 ist mit drei Lüfterblättern 64c versehen, die mit einem Winkelintervall von 120° radial beabstandet sind, und an den Lüfterblättern 64c sind Montageabschnitte 67b des Montagesitzes 67 angebracht. Zwischen die Endfläche des zylindrischen Vorsprungs 64b und den Montagesitz ist eine Dichtpackung 69 eingefügt, um für Gasdichtheit zu sorgen.
Der Montagesitz 67 ist pilzförmig, mit einem Schaftabschnitt und einem scheibenförmigen Abschnitt, und er verfügt über eine sich durch diese Abschnitte erstreckende Bohrung 67c. Der scheibenförmige Abschnitt verfügt über drei radial beabstandete Montageabschnitte 67b, und der Schaftabschnitt verfügt über drei Löcher 67a, durch die zwangsweise Kühlluft geführt wird.
Der Schaftabschnitt des Montagesitzes 67 wird in einem Lager aufgenommen, das einerseits in einem Loch 69Ba des Gehäuseteils 60B aufgenommen und in diesem befestigt ist. Der Schaftabschnitt verfügt über einen zylindrischen Vorsprung, der drehbar in eine Bohrung 60Bc des Gehäuseteils 60B eingesetzt ist.
Der Montagesitz 67 ist mit an ihm befestigter angetriebener Spirale 64 drehbar im Gehäuseteil 67B angeordnet.
Die Umfangswand des Gehäuseteils 60B verfügt über mehrere Löcher 60Bg, durch die Kühlluft zum Kühlen der angetriebenen Spirale 64 eintritt, und sie verfügt über mehrere Löcher 60Bi, durch die die Kühlluft austritt.
In einem bevorzugten Fall sind das Maximalvolumen und das Minimalvolumen Vmax und Vmin der die antreibende und die angetriebene Spiralwindung 63 und 65 der zweiten Vakuumstufe gebildeten Gastasche auf 56,5 ccm bzw. 19,1 ccm eingestellt, und das Volumenverhältnis ist auf 2,96 eingestellt.
Die 12(a) und 12(b) zeigen schematisch ein Steuersystem zum Betreiben einer Vakuumpumpe mit einer antreibenden und einer angetriebenen Spirale. Im Fall der 12(a) ist der Absauganschluss eines abgedichteten Behälters 35 mittels eines Kanals 59 mit einem Absaugabschnitt der ersten Vakuumpumpenstufe 200A verbunden, deren Auslassabschnitt seinerseits durch einen Kanal 56 mit dem Absaugabschnitt der zweiten Vakuumpumpenstufe 200B verbunden ist. Der Absaug- und der Auslassabschnitt der zweiten Vakuumpumpenstufe 200B sind durch einen Kanal 57 miteinander umgangen.
Die erste Pumpenstufe 200A ist mit der Antriebsachse 53A des Motors 50 ver bunden, während die zweite Pumpenstufe 200B mit der Antriebsachse 53B des Motors 50 verbunden ist. Der Motor 50 wird durch die elektrische Steuervorrichtung 34A gesteuert. Diese elektrische Steuervorrichtung 34A verfügt über eine Messeinrichtung zum Messen des Gasdrucks im abgedichteten Behälter 35. Die Drehzahl des Motors 50 wird entsprechend dem durch die Messeinrichtung erhaltenen Messwert gesteuert.
Im Fall der 12(b) ist der Absauganschluss des abgedichteten Behälters 35 wiederum mittels eines Kanals 39 mit dem Absaugabschnitt der ersten Pumpenstufe 300A verbunden, deren Auslassabschnitt seinerseits mittels eines Kanals 56 mit dem Absaugabschnitt der zweiten Pumpenstufe 300B verbunden ist. Der Auslass- und der Absaugabschnitt der zweiten Pumpenstufe 300B sind wiederum mittels eines Kanals 57 zueinander umgangen.
Die erste und die zweite Pumpenstufe 300A und 300B sind mit Antriebsachsen 54 und 55 jeweiliger Motoren 51 und 52 verbunden, die für eine Rotationssteuerung durch die elektrische Steuervorrichtung 34A mit dieser verdrahtet sind. Die elektrische Steuervorrichtung 34A verfügt über eine Messeinrichtung zum Messen des Gasdrucks im abgedichteten Behälter 35, und die Drehzahl der Motoren 51 und 52 wird entsprechend dem durch die Messeinrichtung erhaltenen Messwert gesteuert.
Nun wird der Betrieb der Pumpe mit dem obigen Aufbau unter Bezugnahme auf die 8(a), 9, 10 und 12(a) beschrieben.
Durch Verbinden der ersten Vakuumpumpenstufe 200A mit dem abgedichteten Behälter 35 wird der Motor 50 durch die elektrische Steuervorrichtung 34A angesteuert. Das Antriebsdrehmoment wird durch die Umlaufmechanismen 68 an die angetriebene Spirale 64 übertragen, um diese anzutreiben.
Durch die antreibende und die angetriebene Spirale komprimiertes Gas wird durch den Auslasskanal 67c in der 9 aus dem Kanal 65 zum Absaugabschnitt 61a der zweiten Vakuumpumpenstufe 200B geliefert.
Dabei wird der Kanal 56 durch das von der ersten Vakuumpumpenstufe ausgeblasene Gas unter einem Druck über dem Atmosphärendruck gefüllt. So wird das Drucksteuerventil 125 durch diesen Druck geöffnet, um das innere, komprimierte Gas nach außen auszublasen.
Wenn der Gasdruck im Kanal 56 niedriger als der Atmosphärendruck wird, wird das Drucksteuerventil 125 geschlossen.
Indessen wird die zweite Vakuumpumpenstufe 200B gleichzeitig mit dem Start des Betriebs der ersten Vakuumpumpenstufe 200A, hervorgerufen durch die Drehung der Antriebsachse 53B, angetrieben, und durch die antreibende und die angetriebene Spirale 62 und 64 komprimiertes Gas wird durch den Auslasskanal 67c und das Rückschlagventil 124 nach außen ausgeblasen.
Wenn der Druck im abgedichteten Behälter 35 abnimmt, erhöht die elektrische Steuervorrichtung 34A die Drehzahl des Motors 50, um die Abnahme der Gasabsaugrate wettzumachen.
Die 8(b) zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen ölfreien, zweistufigen Vakuumpumpe unter Verwendung einer antreibenden und einer angetriebenen Spirale. Ähnliche Teile wie bei der vorigen Pumpe der 8(a) sind mit gleichen Bezugszahlen und -symbolen gekennzeichnet.
Gemäß der Figur sind bei dieser ölfreien, zweistufen Vakuumpumpe 300 eine erste und eine zweite Vakuumpumpenstufe 300A und 300B mit jeweiligen Antriebsachsen 54 bzw. 55 der Motoren 51 und 52 verbunden. Der Auslassabschnitt der zweiten Vakuumpumpenstufe 300B ist so ausgebildet, dass er mittels eines Rückschlagventils 124 mit einem Auslasskanal 57 verbunden wird, der mit dem Äußeren in Verbindung steht. Der Auslassabschnitt der ersten Vakuumpumpenstufe 300A und der Ansaugabschnitt der zweiten Vakuumpumpenstufe 300B sind durch einen Kanal 56 miteinander verbunden. Der Auslasskanal 57 wird durch ein Auslassventil 125 umgangen, das geöffnet wird, um Gas nach außen auszublasen, wenn der Druck im Kanal 56 einen vorbestimmten Druck überschreitet.
Die dargestellte erste Vakuumpumpenstufe 300A ist konstruktionsmäßig dieselbe wie die in der 9 dargestellte erste Vakuumpumpenstufe 200A, und die zweite Vakuumpumpenstufe 300B ist konstruktionsmäßig dieselbe wie die in der 10 dargestellte zweite Vakuumpumpenstufe 200B. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform dadurch, dass abweichend von der vierten Ausführungsform, bei der die erste und die zweite Vakuumpumpenstufe vom selben Motor angetrieben werden, bei dieser Ausführungsform diese Pumpenstufen durch gesonderte Motoren angetrieben werden.
Nun wird der Betrieb dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 8(b), 9, 10 und 12(b) beschrieben.
Wenn die erste Vakuumpumpenstufe 300A mit dem Behälter 35 verbunden wird, wird der Motor 51 durch die elektrische Steuervorrichtung 34A angesteuert. Im Ergebnis sorgt die Antriebsachse 54 für eine Drehung der Antriebsspirale 62, und das Rotationsdrehmoment wird durch die Umlaufmechanismen 68 an die angetriebene Spirale 64 übertragen, um diese anzutreiben.
Durch die antreibende und die angetriebene Spirale komprimiertes Gas wird durch den Kanal 56 zur zweiten Vakuumpumpenstufe 300B geliefert.
Dabei wird der Kanal 56 mit Gas gefüllt, das von der ersten Vakuumpumpenstufe ausgeblasen wird und unter einem höheren Druck als dem Atmosphärendruck steht, und das Auslassventil 125 wird durch diesen Druck geöffnet, um das im Inneren komprimierte Gas nach außen auszublasen. Dieser Betrieb wird fortgesetzt, bis der Gasdruck im Kanal 56 niedriger als der Atmosphärendruck wird.
Nach dem Verstreichen einer Zeit, die unter Berücksichtigung des Volumens des abgedichteten Behälters 35, dem Aufnahmevolumen und der Drehzahl der ersten Schneckenmechanismusstufe usw. berechnet wurde, startet die elektrische Steuervorrichtung 34A den Motor 52.
Ungefähr zu diesem Zeitpunkt wird der Druck des durch die erste Schneckenmechanismusstufe komprimierten und in den Kanal 56 ausgeblasenen Gases niedriger als der Atmosphärendruck, so dass das Drucksteuerventil 125 geschlossen wird.
Anschließend wird das aus der ersten Schneckenmechanismusstufe ausgeblasene komprimierte Gas durch die zweite Schneckenmechanismusstufe komprimiert, wodurch das Rückschlagventil 124 schließt und das Gas nach außen ausgeblasen wird.
Wenn der Druck im abgedichteten Behälter 35, der gerade durch die Vakuumpumpe evakuiert wird, fällt, erhöht die elektrische Steuervorrichtung 34A die Drehzahlen der Motoren 51 und 52, um die Verringerung der Ausblasrate von Gas aus dem abgedichteten Behälter wettzumachen und so die Prozesszeit zu verkürzen.
Während bei der zweiten und fünften Ausführungsform das Timing zum Starten des Antriebsmotors der zweiten Vakuumpumpenstufe durch Berechnung unter Berücksichtigung des Volumens des abgedichteten Behälters und des Funktionsvermögens der ersten Vakuumpumpenstufe bestimmt wird, ist dies nicht beschränkend; z. B. kann ein bewegliches Element oder ein Sensor, der in gekoppelter Beziehung zum Ein-Aus-Betrieb des Drucksteuerventils betreibbar ist, vorhanden sein, und die zweite Vakuumpumpenstufe kann entsprechend dem Erfassungsausgangssignal des beweglichen Elements oder des Sensors angesteuert werden.
Während bei der vierten und fünften Ausführungsform die erste und die zweite Vakuumpumpenstufe eine Kombination aus einer stationären und einer umlaufenden Spirale oder eine Kombination aus einer antreibenden und einer angetriebenen Spirale waren, ist es selbstverständlich auch möglich, die erstere Kombination für die erstere Vakuumpumpenstufe und die letztere Kombination für die zweite Vakuumpumpenstufe oder die letztere Kombination für die erste Stufe und die erste Kombination für die zweite Stufe zu verwenden.
Wie oben angegeben, erlaubt es eine ölfreie, zweistufige Vakuumpumpe, bei der die erste und die zweite Pumpstufe in Reihe gekoppelt und angesteuert werden, eine Verringerung der Spiralgröße.
So ist die Vakuumpumpe frei von Problemen, wie sie durch eine große Spiralgröße entstehen, wie Schwingungen der Achse durch eine Verwindung derselben bei Drehung mit hoher Drehzahl sowie Erzeugung von Geräuschen und Wärme, oder einer Verkürzung der Beständigkeit aufgrund derartiger Gründe, wie ungleichmäßigem Kontakt zwischen der stationären und der umlaufenden Spirale.
Außerdem steht der Auslassraum der ersten Pumpenstufe über den Umgehungskanal, an dem das Drucksteuerventil vorhanden ist, das durch eine Druckverringerung unter einem vorbestimmten Druck geschlossen wird, mit dem Auslassraum der zweiten Pumpenstufe in Verbindung. So zieht der Kompressionsschritt in der Innenpumpenstufe, deren Absauganschluss mit dem zu evakuierenden abgedichteten Behälter verbunden ist, das in sie abgesaugte Gas unter hohem Druck, da der Druck im abgedichteten Behälter im Anfangsstadium ab dem Start der Pumpe nahe am Atmosphärendruck liegt. Wenn der Druck in der ersten Pumpenstufe einen vorbestimmten Druck überschreitet, z. B. den Außendruck, d. h. den Druck im Auslassraum der zweiten Pumpenstufe, wird das Drucksteuerventil geöffnet, so dass das komprimierte Gas unter hohem Druck aus der ersten Pumpenstufe nach außen ausgegeben wird.
So hat die zweite Pumpenstufe keine Möglichkeit, komprimiertes Gas mit einem Druck über dem Atmosphärendruck abzusaugen, und sie ist frei von einer Wärmeerzeugung aufgrund einer andernfalls möglichen übermäßigen Kompression. D. h., dass die zweite Pumpenstufe frei von der Möglichkeit einer Verringerung ihrer Beständigkeit oder von Fressen und Zerstörung aufgrund von durch hohen Druck erzeugter Wärme ist.
Die erste und die zweite Pumpenstufe können so an einer gemeinsamen Achse angebracht sein, dass sie einstückig miteinander vorliegen und über die gemeinsame Achse durch eine gemeinsame Antriebswelle angetrieben werden. Dies erlaubt es, eine kompakte Vakuumpumpe herzustellen, die über eine verringerte Anzahl von Komponenten verfügt.
Der abgedichtete Behälter kann als Last mit der Seite des Absauganschlusses der ersten Pumpenstufe verbunden sein, und die Drehzahl der Pumpe kann durch eine Steuereinrichtung entsprechend dem Vakuumgrad des abgedichteten Behälters gesteuert werden, wobei die Steuereinrichtung die Drehung der gemeinsamen Antriebsquelle steuert. In diesem Fall kann mit fallendem Druck im abgedichteten Behälter als Last die Drehzahl der ersten und der zweiten Pumpenstufe erhöht werden, um die Anzahl von Betriebszyklen beim Ausblasen von Gas im abgedichteten Behälter pro Zeiteinheit zu erhöhen. Dies erlaubt eine Verringerung der Prozesszeit.
Die erste und die zweite Pumpenstufe können durch gesonderte Antriebsquellen angetrieben werden. In diesem Fall ist es möglich, für die erste und die zweite Pumpenstufe jeweils optimale Antriebsquellen unter Berücksichtigung des komprimierten Gases als Last entsprechend dem Kompressionsverhältnis der ersten und der zweiten Pumpenstufe zu verwenden. Außerdem kann in einem anfänglichen Gasabpumpzustand für den abgedichteten Behälter, in dem der Druck des Kompressionsgases in der ersten Pumpenstufe über dem Atmosphärendruck liegt, d. h. in einem Bereich mit viskoser Strömung, in dem sich der abgedichtete Behälter in einem niedrigen Vakuumgrad befindet, die einzige erste Pumpenstufe betrieben werden, um Gas durch ein Auslassventil nach außen auszublasen, und die zweite Pumpenstufe kann betrieben werden, wenn der Druck des komprimierten Gases in der ersten Pumpenstufe niedriger als der Atmosphärendruck wurde. Ein derartiger Betrieb der Pumpe ist wirtschaftlicher.
Die umlaufenden Spiralen der zwei Pumpenstufen können jeweils von entgegengesetzten Seiten des Pumpenkörpers her angetrieben werden. Dies bedeutet im Vergleich zum Fall des Antriebs der Spiralen der zwei Pumpenstufen durch eine gemeinsame Antriebsquelle, dass die Position, an der die umlaufende Spirale an der jede Antriebsquelle verlängernden Achse befestigt ist, einen verkürzten Abstand von der Antriebsquelle aufweisen kann, wodurch sich Schwingungen der Achse durch Verwinden derselben oder ähnliche Gründe verringern.
Wenn die Pumpenstufe über eine Kombination aus einer stationären Spirale und einer umlaufenden Spirale verfügt, verfügt die stationäre Spirale über eine untere Wand mit einem Umgehungsloch, das einen Umgehungskanal bildet. Bei dieser Konstruktion kann der Umgehungskanal dadurch hergestellt werden, dass lediglich in der nicht angetriebenen stationären Spirale ein Loch ausgebildet ist, und es ist möglich, eine vereinfachte Konstruktion zu erzielen.
Insbesondere können die erste und die zweite Pumpenstufe so angeordnet sein, dass die stationäre Spirale der ersteren und die umlaufende Spirale der letzteren einander zugewandt sind, um komprimiertes Gas aus der ersten Pumpenstufe durch deren Auslassanschluss in der stationären Spirale zur umlaufenden Spirale der zweiten Pumpenstufe zu liefern. Diese Konstruktion erlaubt es, zwischen dem schließlich umschlossenen Raum, der durch die stationäre und die umlaufende Spiralwindung der ersten Pumpenstufe gebildet ist, und dem anfänglichen geschlossenen Raum, der durch die stationäre und die umlaufende Spirale der zweiten Pumpenstufe gebildet ist, einen verringerten Abstand einzustellen. So ist es möglich, eine effiziente Vakuumpumpe zu schaffen, bei der weniger Gas zwischen den zwei Räumen verblieben ist, ohne dass es unmittelbar in den geschlossenen Raum der zweiten Pumpenstufe übernommen wird.
Es ist zu beachten, dass eine Vakuumpumpe hergestellt werden kann, mit der die Wärmeerzeugung selbst im Viskositätsbereich niedrigen Vakuums verringert werden kann, die wirtschaftlich ist.
Die 13 zeigt schematisch eine sechste Ausführungsform der ölfreien Zwillings-Schneckenvakuumpumpe.
Diese Vakuumpumpe verfügt über ein Zwillings-Spiralblatt, das zwischen zwei stationären Spiralen eingefügt ist und über zwei umlaufende Spiralwindungen verfügt, die jeweils mit der stationären Spiralwindung einer jeweiligen stationären Spirale für Bewegung in der Druckrichtung in Eingriff stehen.
Bei dieser Ausführungsform sind die polierte Fläche jeder stationären Spirale und die Endfläche jeder umlaufenden Spiralwindung dadurch elastisch gegeneinander abgedichtet, dass eine evolventenförmige Enddichtung mit Selbstschmiereigenschaft und Elastizität in der Druckrichtung zwischen der polierten Fläche jeder stationären Spirale und der Endfläche der entsprechenden umlaufenden Spiralwindung und auch zwischen der polierten Fläche jeder umlaufenden Spirale und der Endfläche der entsprechenden stationären Spiralwindung angebracht wird.
Bei dieser Anordnung kann eine Ungleichmäßigkeit der Druckkraft der umlaufenden Spirale, die sich aus Fehlern beim Zusammenbau oder beim Bearbeiten der Spiralen ergeben kann, durch die elastische Kraft der Dichtung ausgeglichen werden, um so für eine automatische Positionskorrektur zu sorgen und eine einfache Absorption von Schwingungen der Achse der umlaufenden Spiralen zu erlauben.
Die Konstruktion dieser Ausführungsform wird nun detailliert beschrieben. In der 13 ist eine ölfreie Zwillings-Schneckenvakuumpumpe 410 dargestellt, die über eine umlaufende Zwillingsspirale 128 verfügt, die in einem geschlossenen Raum vorhanden ist, der durch zwei stationäre Spiralen 127A und 127B gebildet ist.
Die stationären Spiralen 127A und 127B verfügen über jeweilige eingebettete Windungen 137 und 138 mit Spiralform. Die umlaufende Zwillingsspirale 128 verfügt über zwei umlaufende Spiralwindungen 139, die in die entgegengesetzten Flächen ihres Blatts eingebettet sind und mit ihren jeweiligen stationären Spiralwindungen 137 und 138 mit einer um 180° phasenverschobenen Beziehung in Eingriff stehen.
Evolventenförmige Enddichtungen 131 mit Selbstschmiereigenschaft sind jeweils in eine Nut eingesetzt, die an der Endfläche jeder Windung 139 der umlaufenden Zwillingsspirale 128 in Kontakt mit jedem stationären Spiralblatt ausgebildet ist, und auch in eine Nut, die in der Endfläche jeder der Windungen 137 und 138 der stationären Spiralen 127 in Kontakt mit dem umlaufenden Spiralblatt ausgebildet ist, um so die Gasdichtheit zwischen dem abgedichteten Raum zum Komprimieren von Gas in denselben und dem benachbar ten abgedichteten Raum aufrecht zu erhalten.
Die stationären Spiralen verfügen jeweils über eine Randwand in Kontakt mit der entsprechenden Fläche der umlaufenden Zwillingsspirale 128, die die entsprechende Windung derselben umgibt. In eine Nut, die in jeder oben genannten Randwand ausgebildet ist, ist eine ringförmige Enddichtung 132 mit Selbstschmiereigenschaft eingesetzt, um so Gasdichtheit zwischen dem die Windungen einschließenden abgedichteten Raum und der Außenseite aufrecht zu erhalten und auch um zu verhindern, dass Staub oder dergleichen in das abgedichtete Ventil eindringt.
In der Außenumfangsfläche der stationären Spirale 127A ist ein Absauganschluss 129 ausgebildet, um Gas abzusaugen, und nahe ihrem Zentrum ist auch ein Auslassanschluss 135 zum Ausblasen von komprimiertem Gas ausgebildet.
In ähnlicher Weise verfügt die stationäre Spirale 127B über einen in ihrer Außenumfangsfläche ausgebildeten Absauganschluss 130 zum Ansaugen von Gas sowie einen Auslassanschluss 136 zum Ausblasen von komprimiertem Gas.
Die umlaufende Zwillingsspirale 128 verfügt über eine Achse 145, die exzentrisch mit dem Rotor eines Motors 144 gekoppelt ist, und sie verfügt auch über drei Kurbelwellenstifte 143', die mit einem Winkelintervall von 120° in Bezug auf das Zentrum der Achse 145 angeordnet sind. Durch die Drehung der Achse 145 wird die umlaufende Zwillingsspirale 128 dazu veranlasst, eine Umdrehung mit festem Radius um das Zentrum der Windungen der stationären Spiralen 127A und 127B zu erfahren, ohne dass sie sich dreht.
Die Achse 145 verfügt über einen Lüfter 146 zum Kühlen der stationären Spirale 127A über an ihr vorhandene Kühlrippen 127Aa, und sie verfügt auch über einen Lüfter 147 zum Kühlen der stationären Spirale 127B über an ihr vorhandene Kühlrippen 127Ba.
Bei der obigen Konstruktion der ölfreien Zwillings-Schneckenpumpe 410 wird durch Antreiben des Motors 144 zum Antreiben der Achse 145 Gas aus den Absauganschlüssen 129 und 139 angesaugt. Das aus dem Absauganschluss 129 abgesaugte Gas wird im abgedichteten Raum, der durch die stationäre Spirale 127A und die entsprechende Windung 139 der umlaufenden Zwillingsspirale 128 gebildet ist, fortschreitend komprimiert, um aus dem Auslassanschluss 135 ausgeblasen zu werden.
Das aus dem Absauganschluss 130 abgesaugte Gas wird im abgedichteten Raum, der durch die andere stationäre Spirale 127B und die entsprechende Windung 139 der umlaufenden Zwillingsspirale 128 gebildet ist, fortschreitend komprimiert, um vom Auslassanschluss 136 ausgeblasen zu werden.
Da der linke und der rechte Spiralmechanismus, die parallel angetrieben werden, dasselbe Kompressionsverhältnis aufweisen, heben sich ihre Kräfte in der Druckrichtung gegeneinander auf.
In den Absauganschluss 129 der stationären Spirale 127A ist ein Kanal 75 eingesetzt, der über einen Kanal 74 in Verbindung mit dem abgedichteten Behälter 35 angeschlossen ist.
In den Absauganschluss 130 der stationären Spirale 127B ist ein Kanal 77 eingesetzt, der mit einem Dreiwegeventil 78 verbunden ist, das über Kanäle 76 und 74 mit dem abgedichteten Behälter 35 verbunden ist.
Der Auslassanschluss 136 der stationären Spirale 127B ist mit einem Kanal 127 zum Ausblasen von komprimiertem Gas nach außen verbunden.
Der Auslassanschluss 135 der stationären Spirale 127A ist mit einem Kanal 119 verbunden, der seinerseits mit einem Dreiwegeventil 79 zum Ausblasen von komprimiertem Gas nach außen verbunden ist.
Die anderen Einlass-/Auslassanschlüsse der Dreiwegeventile 78 und 79 stehen über einen Kanal 120 miteinander in Verbindung.
Der Ausgangsanschluss einer elektrischen Steuervorrichtung 34B ist über einen Kanal 112 mit dem elektronischen Ventil des Dreiwegeventils 78 verbunden, er ist auch über einen Kanal 113 mit dem Elektromagnetventil des Dreiwegeventils 79 verbunden, und er ist ferner über einen Kanal 110' mit dem Motor 114 verbunden, und so kann diese Steuervorrichtung den Ein-Aus-Betrieb der Dreiwegeventile 78 und 79 und auch den Betrieb des Motors 144 steuern.
Nun wird der Betrieb dieser Ausführungsform der ölfreien Zwillings-Schneckenpumpe 410 im Einzelnen beschrieben.
Gemäß der 13 steuert die elektronische Steuervorrichtung 34B das Dreiwegeventil 79 an, um den Auslassanschluss 135 mit der Außenseite zu verbin den, und sie steuert auch das Dreiwegeventil 78 an, um den Auslassanschluss 35a des abgedichteten Behälters 35 mit dem Absauganschluss 129 der stationären Spirale 127A zu verbinden.
Dann wird der Motor 144 mit einer vorbestimmten Drehzahl angetrieben, wodurch die aus der umlaufenden Zwillingsspirale 128 und der stationären Spirale 127A bestehende erste Vakuumpumpenstufe und die aus der umlaufenden Zwillingsspirale 128 und der stationären Spirale 127B betriebene zweite Vakuumpumpenstufe parallel betrieben werden. Die Pumpe 410 saugt so Gas direkt aus dem Absauganschluss 35a des abgedichteten Behälters 35 über die Kanäle 74 und 75 und den Absauganschluss 129 ab, und sie bläst das komprimierte Gas durch den Auslassanschluss 135 und das Dreiwegeventil 79 nach außen. Außerdem zieht sie Gas aus dem Auslassanschluss 35a des abgedichteten Behälters 35 durch die Kanäle 74, 76 und 77, das Dreiwegeventil 78 und den Absauganschluss 130 ab und bläst komprimiertes Gas durch den Auslassanschluss 136 und den Kanal 121 nach außen.
Nachdem eine vorbestimmte Zeitperiode verstrichen ist, während der ein Grobpumpvorgang in einem Vakuumbereich bis zu 10^–2 Torr erfolgt, liefert die elektrische Steuervorrichtung 34B ein elektrisches Signal an das Dreiwegeventil 79, um den Verbindungsweg der Pumpe 410 nach außen auf einen solchen durch die Dreiwegeventile 78 und 79 umzuschalten, während sie ein elektrisches Signal an das Dreiwegeventil 78 liefert, um die Verbindung zwischen dem abgedichteten Behälter 75 und dem Absauganschluss 130 zu versperren.
So sind die aus der umlaufenden Zwillingsspirale 128 und der stationären Spirale 127A bestehende erste Vakuumpumpenstufe und die aus der umlaufenden Zwillingsspirale 128 und der stationären Spirale 127B gebildete zweite Vakuumpumpenstufe in Reihe verbunden.
Wenn der Druck im abgedichteten Behälter abnimmt, d. h. mit zunehmendem Vakuumgrad desselben, nimmt der Druck des Gases, das in den abgedichteten Raum der Pumpe aufgenommen wird, ab, so dass ein erhöhtes Kompressionsverhältnis erforderlich ist, um das Gas auf den Atmosphärendruck zu komprimieren, um es nach außen auszublasen.
Wenn die erste und die zweite Vakuumpumpenstufe in Reihe verbunden sind, wie oben beschrieben, ist das Kompressionsverhältnis verdoppelt, was es ermöglicht, Gas zum Ausblasen nach außen innerhalb einer verkürzten Zeitpe riode zu komprimieren.
Auch werden in einem Anfangsstadium des Betriebs der Pumpe 410 nach dem Umschalten der ersten und der zweiten Vakuumpumpenstufe auf die serielle Verbindung beide Stufen durch die Achse 145 des Motors 144 angetrieben, d. h., sie werden mit konstanter Drehzahl angetrieben, so dass sich kein Problem einer Wärmeerzeugung durch eine Drehzahlerhöhung der ersten Pumpenstufe stellt.
Die Prozesszeit zum Erhalten des gewünschten Vakuumzustands kann dadurch weiter verkürzt werden, dass die Drehzahl des Motors 144 erhöht wird, wenn auf die serielle Verbindung umgeschaltet wird, und zwar unter Berücksichtigung des Vakuumgrads des abgedichteten Behälters in einem Bereich, in dem keine Verringerung der Beständigkeit wegen Wärmeerzeugung besteht.
Während diese Ausführungsform eine Zwillingspumpe mit einer umlaufenden Zwillingsspirale zwischen entgegengesetzten stationären Spiralen betrifft, ist das Prinzip auch bei einem Typ anwendbar, bei dem gesonderte umlaufende Spiralen an entgegengesetzten Enden einer Motorachse vorhanden sind, die mit entsprechenden stationären oder angetriebenen Spiralen in Eingriff stehen.
Die 14 ist eine schematische Darstellung, die die Grundkonstruktion einer siebten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und die 15 ist eine schematische Darstellung, die die Grundkonstruktion einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt. Diese Ausführungsformen können eine trockene Vakuumpumpe von beliebigem Typ betreffen. Als typisches Beispiel wird eine ölfreie Einzel-Schneckenvakuumpumpe in Verbindung mit ihrer Konstruktion und ihrem Betrieb beschrieben.
Die 16 zeigt eine die Erfindung verkörpernde ölfreie Einzel-Schneckenvakuumpumpe. Die dargestellte ölfreie Scheckenvakuumpumpe 400 verfügt über eine stationäre Spirale 210, eine umlaufende Spirale 220 und ein Gehäuse 140, an dem die Spiralen 210 und 220 an einer vorbestimmten Position befestigt bzw. drehbar gelagert sind.
Die stationäre Spirale 210 verfügt über eine eingebettete Spiralwindung 213, die in einer Aussparung in der Umfangswand 210 angeordnet ist, die an der Stirnfläche des Gehäuses 140 befestigt ist und über einen Absauganschluss 216 zum Absaugen von Gas in ihn hinein aus einem abgedichteten Be hälter (nicht dargestellt) durch einen Kanal 144 hindurch verfügt. Die stationäre Spirale 210 verfügt über einen Auslassanschluss 217, der im Wesentlichen in ihrem zentralen Teil ausgebildet ist, um komprimiertes Gas auszublasen.
Die umlaufende Spiralwindung 220 ist in einer im Gehäuse 140 ausgebildeten Aussparung aufgenommen. Eine Windung 221 mit im Wesentlichen derselben Spiralform wie der der Windung 213 der stationären Spirale 210 ist in die Fläche des Blatts der Spirale 220 eingebettet, die mit der Stirnfläche der Umfangswand 211 in Kontakt steht. Die Windungen 213 und 221 stehen mit einer um 180° gegeneinander versetzten Phasenbeziehung miteinander in Eingriff.
Die Rückseiten der Spiralen 210 und 220 sind mit Kühlrippen 230 und 224 für Luftkühlung ihres Inneren versehen.
Die den zugehörigen Spiralen zugewandten Endflächen der Spiralwindungen 213 und 221 sind mit Nuten 213a und 221a versehen, in die selbstschmierende Enddichtungen 131 eingesetzt sind, damit die Endflächen einen schmiermittelfreien Gleitvorgang ausführen können. In einen Graben, der in der Stirnfläche der Umfangswand 211 in Kontakt mit der entsprechenden Fläche der umlaufenden Spirale 220 ausgebildet ist, ist eine ringförmige Dichtung 232 mit Selbstschmiereigenschaft eingesetzt, um die Gasdichtheit zwischen der Aussparung in der Umfangswand 211 und der Außenseite aufrecht zu erhalten.
Das Gehäuse 140 hält eine durch sein Zentrum hindurch gehende Hauptantriebs-Kurbelwelle 141, an deren einem Ende eine Riemenscheibe 142 angebracht ist, und es hält auch drei angetriebene Kurbelwellen 143 auf drehbare Weise, die mit einem Winkelintervall von 120° in Bezug auf die Hauptantriebs-Kurbelwelle 141 angeordnet sind.
Die Kurbelwellen 141 und 143 sind in einem Gehäuseteil 225, das einstückig mit der umlaufenden Spirale 220 vorliegt, drehbar gelagert. Die Hauptantriebs-Kurbelwelle 141 kann für eine Drehung der umlaufenden Spirale 220 um die Windung der stationären Spirale 210 mit einem vorbestimmten Umdrehungsradius sorgen, während sich die umlaufende Spirale 220 nicht dreht.
Wie dargestellt, verfügt die ölfreie Schneckenvakuumpumpe 400 über eine stationäre Spirale 210, die in der in der Umfangswand 211 ausgebildeten Aussparung aufgenommen ist, und die über die erste Windung 213 verfügt, sowie die umlaufende Spirale 220, die die zweite Windung 221 ist, die mit der ersten Windung 213 in Eingriff treten kann. Da dafür gesorgt wird, dass die umlaufende Spirale 220 hinsichtlich der statinären Spirale 210 eine Drehung ausführt, ohne dass sie sich selbst dreht, kann das Volumen des durch die zwei Windungen 213 und 221 gebildeten abgedichteten Raums 222 variiert werden.
Wenn dafür gesorgt wird, dass die umlaufende Spirale 220 eine Umdrehung mit einem vorgegebenen Drehradius um die Windung 213 der stationären Spirale 210 in solcher Weise ausführt, dass der Kontaktpunkt zwischen den Windungen, die den als Kompressionskammer dienenden abgedichteten Raum 222 bilden, allmählich zum Zentrum der Windungen hin verschoben wird, wird Gas aus dem Absauganschluss um das Außenende der zweiten Windung 221 herum in den durch die Windungen 213 und 221 gebildeten abgedichteten Raum 222 geführt, und durch die Drehung der umlaufenden Spirale 220 wird es mit fortschreitend abnehmendem Volumen unter Druck gesetzt, während eine Verschiebung zum Zentrum der Spiralen hin erfolgt. Das komprimierte Gas wird nach außen ausgeblasen, wenn der abgedichtete Raum 222 mit dem Auslassanschluss 217 in Verbindung gebracht wird.
Bei dieser Ausführungsform ist es aus den Standpunkten einer Erhöhung des Kompressionswirkungsgrads und einer Erhöhung des Vakuumgrads sehr wichtig, den abgedichteten Zustand des durch die zwei Windungen 213 und 221 gebildeten Raums 222 zu gewährleisten.
Wie es in der 17 dargestellt ist, ist zwischen der Endfläche, d. h. der axialen Endfläche, jeder Windung und der entsprechenden Reibungskontaktfläche eine Enddichtung 131A (oder 131B) vorhanden, die aus einem Harzmaterial vom Kohlenstofftyp besteht, das als wärmehärtendes, kondensiertes, polycyclisches, mehrkerniges, aromatisches Harz (COPNA-Harz) bezeichnet wird, das über einen niedrigen Wärmeexpansionskoeffizienten verfügt und hinsichtlich der Wärmebeständigkeit und der Abnutzungsbeständigkeit hervorragend ist.
Genauer gesagt, ist, wie es in der 17 dargestellt ist, die Windung 213 (oder 221) mit Evolventenform in die Vorderseite eines scheibenförmigen Spiralblatts 210 (oder 220) eingebettet, das als stationäre oder umlaufende Spirale dient. Die Endfläche der Windung ist mit einer Endnut 213a oder 221a ausgebildet, die sich ausgehend vom Zentrum zum Umfang der Windung erstreckt, und die Enddichtung 131A (oder 131B) ist in die Endnut einge setzt.
Bei dieser ölfreien Schneckenvakuumpumpe wird in den in der 18(A) dargestellten Raum aufgenommenes Gas zur Außenseite ausgeblasen, wenn der Druck Pi des Gases im Raum i, der mit dem Auslassanschluss 217 versehen ist, den Außendruck Po überschreitet.
Durch Schließen der Spannungsquelle (nicht dargestellt) der Vakuumpumpe 400 wird der Antrieb der umlaufenden Spirale 220 gestartet.
Wenn die Windung 221 der umlaufenden Spirale 220 angetrieben wird, wird Gas im Raum a in der 18(A) in den geschlossenen Raum b in der 18(B) aufgenommen, um sukzessive in die geschlossenen Räume c bis h aufgenommen zu werden, wie es in den 18(A) und 18(B) dargestellt ist, und um schließlich in den Raum i aufgenommen zu werden, in dem der Auslassanschluss 217 geöffnet ist, und das komprimierte Gas wird durch den Auslassanschluss 217 nach außen ausgeblasen.
Nun wird eine siebte Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der obigen ölfreien Vakuumpumpe beschrieben.
Die 14 zeigt die Grundkonstruktion der Ausführungsform. Gemäß dieser Figur ist der Absauganschluss 400a einer ölfreien Vakuumpumpe 400 über gasdichte Kanäle 75 und 74 mit dem Auslassanschluss 35a des abgedichteten Behälters 35 verbunden. Der Absauganschluss 400'a einer anderen Vakuumpumpe 400' ist über ein elektromagnetisches Dreiwegeventil 78 und Kanäle 74, 76 und 77 mit dem Auslassanschluss 35a des abgedichteten Behälters 35 verbunden.
Die Vakuumpumpe 400 kann aus ihrem Auslassanschluss 400b für komprimiertes Gas derartiges komprimiertes Gas durch ein Dreiwegeventil 79 nach außen ausblasen. Der andere Einlass-/Auslassanschluss des Dreiwegeventils 79 ist mit dem anderen Einlass-/Auslassanschluss des anderen Dreiwegeventils 78 verbunden. Die Dreiwegeventile 78 und 79, die elektromagnetische Ventile sind, können so geschaltet werden, dass komprimiertes Gas von der Vakuumpumpe 400 an den Absauganschluss 400'a der Vakuumpumpe 400 geliefert wird, um von deren Auslassanschluss 400'b nach außen ausgeblasen zu werden.
Eine elektrische Steuervorrichtung 34C ist über Leitungen 11O und 111 mit der Vakuumpumpe 400 bzw. 400' verbunden, und sie ist auch über Leitungen 112 und 113 mit den Dreiwegeventilen 79 und 78 verbunden.
Die elektrische Steuervorrichtung 34C steuert die Elektromagnetventile der Dreiwegeventile zum Steuern der Richtung des Gasflusses und auch der Drehzahlen und des Betriebs der Vakuumpumpen 400 und 400' usw. durch Berechnen der Zeit bis zum Erreichen eines vorbestimmten Vakuumdruckbereichs aus Parametern wie dem Volumen des abgedichteten Behälters 35, den Volumina und den Drehzahlen der Vakuumpumpen 400 und 400', usw.
Es ist möglich, im abgedichteten Behälter einen Druckmesser anzubringen, um den Druck in diesem zur Steuerung der Drehzahl, zur Betriebssteuerung usw. und auch zum Steuern der Dreiwegeventile zu messen.
Im Betrieb steuert die elektrische Steuervorrichtung 34C die Dreiwegeventile 79 zum Verbinden des Auslassanschlusses 400b der Vakuumpumpe 400 mit dem Äußeren, und sie steuert auch das Dreiwegeventil 78 zum Verbinden des Auslassanschlusses 35a des abgedichteten Behälters 35 mit dem Absauganschluss 400'a der Vakuumpumpe 400'.
Dann werden, unter Betreiben der Vakuumpumpen 400 und 400' mit einer vorbestimmten Drehzahl, diese Pumpen parallel angeschlossen. In diesem Zustand entzieht die Vakuumpumpe 400 direkt Gas im abgedichteten Behälter aus dem Absauganschluss 35a desselben durch die Kanäle 74 und 75 und ihren Absauganschluss 400a, und sie bläst komprimiertes Gas von ihrem Auslassanschluss 400b über das Dreiwegeventil 79 nach außen aus. Die andere Vakuumpumpe 400' entzieht andererseits Gas aus dem Auslassanschluss 35a des abgedichteten Behälters 35 durch die Kanäle 74, 76 und 77, das Dreiwegeventil 78 und ihren Absauganschluss 400'a, und sie bläst das komprimierte Gas aus ihrem Auslassanschluss 400'a aus.
Nachdem eine vorbestimmte Zeitperiode verstrichen ist, während der ein Grobabpumpvorgang bis auf einen Vakuumgrad von ungefähr 10^–2 Torr ausgeführt wird, liefert die elektrische Steuervorrichtung 34C ein elektrisches Signal an das Dreiwegeventil 79, um die Verbindung der Vakuumpumpe 400b mit der Außenseite auf die mit dem Dreiwegeventil 78 umzuschalten, und sie liefert auch ein elektrisches Signal an das Dreiwegeventil 78, um die Verbindung zwischen dem abgedichteten Behälter 35 und dem Absauganschluss 400'a zu versperren und für Verbindung ausgehend vom Dreiwegeventil 79 zu sorgen. Im Ergebnis sind die Vakuumpumpen 400 und 400' in Reihe angeschlossen.
Bei abnehmendem Druck im abgedichteten Behälter, d. h. bei zunehmendem Vakuumgrad desselben, nimmt der Druck des in die abgedichteten Räume der Vakuumpumpe aufgenommenen Gases ab, so dass es erforderlich ist, die Zeit zu verlängern, bis das Gas auf den Atmosphärendruck komprimiert ist, um es nach außen auszublasen.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Drehzahl der direkt mit dem abgedichteten Behälter verbundenen Vakuumpumpe 400 verdoppelt, um das komprimierte Gas der anderen Vakuumpumpe 400' zuzuführen.
In dieser Situation wird in der mit erhöhter Drehzahl betriebenen Vakuumpumpe 400 zur Seite der Vakuumpumpe 400' auszublasendes Gas stark komprimiert, und seine Temperatur nimmt durch Wärmeerzeugung zu.
Jedoch ist am Absauganschluss der Vakuumpumpe 400' Gas von niederem Druck, das dem abgedichteten Behälter 35 entnommen wurde, im Anfangsstadium nach dem Umschalten auf den seriellen Anschluss der Pumpen vorhanden. Dies bedeutet, dass in diesem Stadium Gas mit niedrigem Druck im Auslassanschluss der Vakuumpumpe 400, in Verbindung mit deren Absauganschluss, vorhanden ist. So wird das Gas, das aufgrund der Zunahme der Drehzahl stark komprimiert wurde, expandiert, wenn es in den Auslassanschluss ausgeblasen wird, und es wird ihm latente Wärme entzogen.
Demgemäß nimmt die Temperatur nicht dauernd zu. D. h., dass die Ausblasrate des Gases zunimmt, ohne dass irgendein Wärmeerzeugungsproblem entsteht, was es erlaubt, den abgedichteten Behälter 35 bis auf einen hohen Vakuumgrad zu evakuieren.
Die Prozesszeit für das Abpumpen kann dadurch verkürzt werden, dass die Drehzahlen der Vakuumpumpen 400 und 400' in einem Bereich eingestellt werden, der frei von einem Problem verringerter Beständigkeit aufgrund einer Wärmeerzeugung ist, da der Vakuumzustand des abgedichteten Behälters berücksichtigt wird.
Die 15 zeigt die Grundkonstruktion der achten Ausführungsform der Erfindung. Teile wie die in der 14 sind mit gleichen Bezugszahlen oder -symbolen gekennzeichnet. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorigen, in der 14 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass sie über drei Vakuumpumpen und vier Dreiwegeventile verfügt.
Gemäß dieser Figur ist der Absauganschluss 400a einer ölfreien Vakuumpumpe 400 über gasdichte Kanäle 74 und 75 mit dem Auslassanschluss 35a des abgedichteten Behälters 35 verbunden. Der Absauganschluss 400'a einer anderen Vakuumpumpe 400' ist über ein elektromagnetisches Dreiwegeventil 78 und Kanäle 74, 76 und 77 mit dem Auslassanschluss 35a des abgedichteten Behälters 35 verbunden. Der Absauganschluss 400''a der restlichen Vakuumpumpe 400'' ist über ein elektromagnetisches Dreiwegeventil 78' und Kanäle 118, 117 und 74 mit dem Auslassanschluss 35a des abgedichteten Behälters 35 verbunden.
Die Vakuumpumpe 400 kann durch das Dreiwegeventil 79 komprimiertes Gas von ihrem Auslassanschluss 400b für komprimiertes Gas nach außen ausblasen. Der andere Einlass-/Auslassanschluss des Dreiwegeventils 79 ist mit dem anderen Einlass-/Auslassanschluss des Dreiwegeventils 78 verbunden. Diese Dreiwegeventile 78 und 79, die Elektromagnetventile sind, können so geschaltet werden, dass komprimiertes Gas von der Vakuumpumpe 400 an den Absauganschluss 400'a der Vakuumpumpe 400' geliefert wird, um von deren Auslassanschluss 400'b nach außen ausgeblasen zu werden.
Die Vakuumpumpe 400' kann durch ein Dreiwegeventil 79' komprimiertes Gas von ihrem Auslassanschluss 400'b für komprimiertes Gas nach außen ausblasen. Der andere Einlass-/Auslassanschluss des Dreiwegeventils 79' ist mit dem anderen Einlass-/Auslassanschluss des Dreiwegeventils 78' verbunden. Diese Dreiwegeventile 78' und 79', die Elektromagnetventile sind, können so geschaltet werden, dass komprimiertes Gas von der Vakuumpumpe 400' an den Absauganschluss 400''a der Vakuumpumpe 400'' geliefert wird, um von deren Auslassanschluss 400''b nach außen ausgeblasen zu werden.
Eine elektronische Steuervorrichtung 34D ist über Leitungen 110, 111 und 116 mit den jeweiligen Vakuumpumpen 400, 400' bzw. 400'' verbunden, und sie ist auch über Leitungen 112, 113, 114 und 115 mit den Dreiwegeventilen 78, 78', 79 und 79' verbunden.
Die elektrische Steuervorrichtung 34D steuert die Elektromagnetventile der Dreiwegeventile zum Steuern der Strömungsrichtung von Gas, und sie steuert auch die Drehzahlen und den Betrieb der Vakuumpumpen 400, 400' und 400'' usw. durch Berechnen der Zeit bis zum Erreichen des vorbestimmten Vakuumdruckbereichs aus Parametern, wie dem Volumen des abgedichteten Behälters 35, den Volumina und Drehzahlen der Vakuumpumpen 400, 400' und 400'', usw.
Es ist möglich, im abgedichteten Behälter einen Druckmesser anzubringen, um den Druck in diesem zur Steuerung der Drehzahl, zur Betriebssteuerung usw. und auch zur Steuerung der Dreiwegeventile zu messen.
Im Betrieb steuert die elektrische Steuervorrichtung 34D das Dreiwegeventil 79 zum Verbinden des Auslassanschlusses 400b der Vakuumpumpe 400 mit der Außenseite, und sie steuert auch das Dreiwegeventil 78 zum Verbinden des Auslassanschlusses 35a des abgedichteten Behälters 35 mit dem Absauganschluss 400'a der Vakuumpumpe 400'.
Die elektrische Steuervorrichtung 34D steuert das Dreiwegeventil 79' zum Verbinden des Auslassanschlusses 400'b der Vakuumpumpe 400' mit der Außenseite, und sie steuert auch das Dreiwegeventil 78' zum Verbinden des Auslassanschlusses 35a des abgedichteten Behälters 35 mit dem Absauganschluss 400''a der Vakuumpumpe 400''.
Dann werden, während die Vakuumpumpen 400, 400' und 400'' mit einer vorbestimmten Drehzahl angetrieben werden, diese Pumpen parallel angeschlossen. In diesem Zustand entzieht die Vakuumpumpe 400 direkt Gas im abgedichteten Behälter aus dessen Auslassanschluss 35a über die Kanäle 74 und 75 und ihren Absauganschluss 400a, und sie bläst komprimiertes Gas über das Dreiwegeventil 79 aus ihrem Auslassanschluss 400b nach außen aus. Die Pumpe 400' saugt Gas aus dem Auslassanschluss 35a des abgedichteten Behälters durch die Kanäle 74, 76 und 77, das Dreiwegeventil 78 und ihren Absauganschluss 400'a ab, und sie bläst komprimiertes Gas von ihrem Auslassanschluss 400'b nach außen. Die Vakuumpumpe 400'' pumpt ferner Gas aus dem Auslassanschluss 35a des abgedichteten Behälters 35 durch die Kanäle 74, 117 und 118, das Dreiwegeventil 78' und ihren Absauganschluss 400''a, ab, und sie bläst komprimiertes Gas von ihrem Auslassanschluss 400''b nach außen aus.
Nachdem eine vorbestimmte Zeitperiode verstrichen ist, während der ein Grobabpumpvorgang bis auf einen Vakuumgrad von ungefähr 10^–2 Torr ausgeführt wird, liefert die elektrische Steuervorrichtung 34D ein elektrisches Signal an das Dreiwegeventil 79, um die Verbindung der Vakuumpumpe 400 mit der Außenseite auf eine solche mit dem Dreiwegeventil 78 umzuschalten, und sie liefert auch ein elektrisches Signal an das Dreiwegeventil 78, um die Verbindung zwischen dem abgedichteten Behälter 35 und dem Absauganschluss 400'a zu sperren, um für eine Verbindung vom Dreiwegeventil 79 her zu sorgen.
Die elektrische Steuervorrichtung 34D liefert ferner ein elektrisches Signal an das Dreiwegeventil 79', um die Verbindung der Vakuumpumpe 400'b mit der Außenseite auf eine solche mit dem Dreiwegeventil 78' umzuschalten, und sie liefert auch ein elektrisches Signal an das Dreiwegeventil 78', um die Verbindung zwischen dem abgedichteten Behälter 35 und dem Absauganschluss 400'a zu sperren, und sie sorgt für Verbindung vom Dreiwegeventil 79' her.
Demgemäß sind die Vakuumpumpen 400, 400' und 400'' parallel angeschlossen.
Bei abnehmendem Druck ist im abgedichteten Behälter, d. h. bei zunehmendem Vakuumgrad desselben, nimmt der Druck von in die abgedichteten Räume der Vakuumpumpe aufgenommenem Gas ab, so dass es erforderlich wird, die Zeit bis zur Kompression des Gases auf den Atmosphärendruck zum Ausblasen nach außen zu verlängern.
Dabei wird die Drehzahl der Vakuumpumpe 400, die direkt mit dem abgedichteten Behälter verbunden ist, verdoppelt, um der anderen Vakuumpumpe 400' komprimiertes Gas zuzuführen.
In dieser Situation wird in der mit erhöhter Drehzahl betriebener Vakuumpumpe 400 zur Seite der Vakuumpumpe 400' auszublasendes Gas stark komprimiert, und durch Wärmeerzeugung wird seine Temperatur erhöht.
Jedoch ist am Absauganschluss der Vakuumpumpe 400' im Anfangszustand nach dem Umschalten auf den seriellen Anschluss der Pumpen Gas von niederem Druck, das dem abgedichteten Behälter 35 entnommen wird, vorhanden. Dies bedeutet, dass in diesem Stadium im Auslassanschluss der Vakuumpumpe 400, in Verbindung mit dem Absauganschluss derselben, Gas von niederem Druck vorhanden ist. So wird das Gas, das aufgrund der Erhöhung der Drehzahl stark komprimiert wurde, expandiert, wenn es in den Auslassanschluss ausgeblasen wird, und es wird ihm latente Wärme entzogen.
Demgemäß steigt die Temperatur nicht kontinuierlich an. D. h., dass die Ausblasrate des Gases erhöht wird, ohne dass irgendein Problem einer Wärmeerzeugung entstünde, was es erlaubt, den abgedichteten Behälter 35 auf einen hohen Vakuumgrad zu evakuieren.
Dann wird von der Vakuumpumpe 400' ausgeblasenes Gas in die Vakuumpumpe 400'' abgesagt, um komprimiert zu werden und vom Auslassanschluss 400''b nach außen ausgeblasen zu werden.
Die Drehzahl der zweiten Vakuumpumpenstufe 400'' muss nicht größer als die Drehzahl der vorangehenden Vakuumpumpenstufe gemacht werden, da dafür gesorgt wird, dass der Druck im abgedichteten Behälter 35 durch den Betrieb der vorangehenden Vakuumpumpenstufe 400 fortschreitend in den höheren Vakuumbereich gelangt. So kann sie innerhalb der Drehzahl der vorangehenden Vakuumpumpenstufe eingestellt werden.
Es ist möglich, die zweite Pumpenstufe mit niedrigerer Drehzahl als die vorangehende Pumpenstufe und mit höherer Pumpenstufe als die dritte Pumpenstufe innerhalb desjenigen Bereichs anzutreiben, in dem es möglich ist, Wärmeerzeugung in der vorangehenden ersten Pumpenstufe zu verhindern, wie oben beschrieben, oder es ist möglich, die zweite und die dritte Pumpenstufe mit derselben Drehzahl anzutreiben, die kleiner als die Drehzahl der ersten Pumpenstufe ist.
Die Prozesszeit für das Abpumpen kann dadurch verkürzt werden, dass die Drehzahlen der ersten bis dritten Vakuumpumpenstufe in einem Bereich eingestellt werden, der frei von einem Problem einer Verringerung der Beständigkeit durch Wärmeerzeugung ist, wobei der Vakuumzustand des abgedichteten Behälters berücksichtigt wird.
Während die obigen Ausführungsformen einer Vakuumpumpe zwei bzw. drei trocken laufende Einzelvakuumpumpen mit jeweils einer stationären Spirale und einer umlaufenden Spirale verwenden, ist es auch möglich, vier oder mehr Vakuumpumpenstufen zu schalten, um sie parallel oder in Reihe zu betreiben.
Das Betreiben mehrerer ölfreier Vakuumpumpen durch Umschalten derselben zwischen parallelem und seriellem Betrieb erlaubt das Abpumpen eines abgedichteten Behälters innerhalb einer verkürzten Zeitperiode.
Eine weitere Prozesszeitverkürzung ist möglich, wenn eine Steuerung der Drehzahl der mehreren Pumpenstufen nach dem Umschalten auf den seriellen Betrieb ausgeführt wird.
Darüber hinaus kann die Drehzahl der vorangehenden Pumpenstufe erhöht werden, während Wärmeerzeugung in der folgenden Pumpenstufe unterdrückt wird, und so ist es möglich, eine Verringerung der Beständigkeit der ölfreien Vakuumpumpe zu verhindern.
Wie es vorstehend beschrieben ist, werden, gemäß der Erfindung, für parallelen Betrieb in einem Bereich mit niedrigem Vakuum und seriellem Betrieb in einem Bereich mit hohem Vakuum mehrere ölfreie Vakuumpumpen verwendet, und es ist möglich, eine ölfreie Vakuumpumpe zu schaffen, die eine Verkürzung der Prozesszeit zum Evakuieren eines abgedichteten Behälters erlaubt.

Claims

Zweistufen-Spiralvakuumpumpe mit einer Vorstufenpumpe (200A, 300A, 400) und einer Folgestufenpumpe (200B, 300B, 400'), die mit einer gemeinsamen Antriebsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Spirale (4, 14, 104) der Vorstufenpumpe der stationären Spirale (5, 105) der Folgestufenpumpe unter Bildung eines geschlossenen Raums (39, 139, 103g) zugewandt ist, Gas aus dem Auslassanschluß (2a, 12a, 102a) der Vorstufenpumpe zum geschlossenen Raum hin ausgestoßen wird, um der Folgestufenpumpe zugeführt zu werden, ein Öffnungsteil (3d, 13d, 103d) vorgesehen ist, das mit einem Verbindungsraum bei einem Umfangsteil (3h, 13h, 103h) in Verbindung steht, ein Drucksteuerventil (25, 125) bei dem Öffnungsteil vorgesehen ist, das schließt, wenn der Druck beim Öffnungsteil geringer als ein vorbestimmter Druck ist, und öffnet, wenn der Druck beim Öffnungsteil höher als ein vorbestimmter Druck ist, und das komprimierte Gas aus dem Auslassanschluß der Vorstufenpumpe über den Verbindungsraum und das Öffnungsteil dem Umfangsteil zugeführt wird.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorstufen- und die Folgestufenpumpe von einer zur Drehung durch eine Antriebsquelle vorgesehenen gemeinsamen Antriebswelle (28, 31) getragen werden.
Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ansauganschluß (2b, 12b, 102b) der Vorstufenpumpe ein gasdichter Behälter (35) verbunden ist und eine Steuereinrichtung (34a, c) zum Einstellen der Drehgeschwindigkeit entsprechend dem Ausmaß an Vakuum in dem gasdichten Behälter vorgesehen ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorstufen- und die Folgestufenpumpe jeweils eine stationäre Spirale (4, 5; 14; 104, 105) und eine umlaufende Spirale (8, 9; 18; 108) aufweisen und in der stationären Spirale eine Bodenwandfläche (2, 3; 12, 13; 102, 103) mit einem Öffnungsloch vorgesehen ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorstufen- und die Folgestufenpumpe jeweils eine stationäre Spirale (4, 5; 14; 104, 105) und eine umlaufende Spirale (8, 9; 18; 108) aufweisen, wobei die Windung der umlaufenden Spirale mit der Windung der stationären Spirale kämmt, die umlaufende Spirale (8, 18; 108) der Vorstufe der stationären Spirale (5, 105) der Folgestufe zugewandt ist und komprimierte Luft von der Vorstufenpumpe über den Auslassanschluß (2a, 12a, 102a) der stationären Spirale zur umlaufenden Spirale (9) der Folgestufenpumpe geführt wird.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsverhältnis der Folgestufenpumpe größer als das der Vorstufenpumpe ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Gastaschenvolumen der Folgestufenpumpe kleiner als das minimale Gastaschenvolumen der Vorstufenpumpe ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralen der Vorstufen- und der Folgestufenpumpe unterschiedliche jeweilige Höhen von der Spiralenendplatte aufweisen.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Doppelwindungs-Spiralpumpe mit einer umlaufenden Spirale mit auf beiden Seiten einer Spiralplatte (106) ausgebildeten Windungen (108), dadurch gekennzeichnet, daß eine erste umlaufende Spiralwindung (108) auf einer Seite der umlaufenden Spirale vorgesehen ist, um Gas in der Vorstufenpumpe zu komprimieren, eine zweite umlaufende Spiralwindung auf der anderen Seite der umlaufenden Spirale ausgebildet ist, um Gas in der Folgestufenpumpe zu komprimieren, ein erstes Stationärspiralen-Gehäuse (102) die erste stationäre Spiralwindung (104) aufweist, die mit der ersten umlaufenden Spiralwindung (108) kämmt, ein zweites Stationärspiralen-Gehäuse (103) die zweite stationäre Spiralwindung (105 aufweist, die mit der zweiten umlaufenden Spiralwindung kämmt, eine Drehwelle (103) mit einem in der Mitte befindlichen Exzenterteil (31a) drehbar von Drehwellen-Tragteilen (102f, 103f) des ersten und des zweiten Stationärspiralen-Gehäuses gehalten wird, wobei die Doppelwindungs-Umlaufspirale mit dem Exzenterteil (31a) verbunden ist, und an Endteilen der Drehwelle Ventilatoren (22) befestigt sind, um die Rückseiten des ersten und des zweiten Spiralen-Gehäuses zu kühlen.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsverhältnis der Folgestufenpumpe größer als das der Vorstufenpumpe ist, die Windungshöhe der Folgestufenpumpe kleiner als die der Vorstufenpumpe ist und das maximale Gastaschenvolumen der Folgestufenpumpe kleiner als das minimale Gastaschenvolumen der Vorstufenpumpe ist.