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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Vakuumpumpen zur
Verwendung beispielsweise in Halbleiterindustrien, und sie bezieht
sich insbesondere auf eine Förderpumpe
der trockenen Betriebsart, die ein Gas von einem atmosphärischen Druck
ausstoßen
kann und ein Vakuumbereich von 10–4 Torr
bis mehrere Torr erreichen kann.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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In
Halbleiterindustrien verwendete Vakuumpumpen zum Ausstoßen von
Prozessgasen aus einer Prozesskammer müssen von der trockenen Bauart
sein, die nicht auf der Verwendung von Öl in ihren inneren Durchlässen beruht,
um eine saubere Prozessumgebung beizubehalten. Die Vakuumpumpen können Förderpumpen
sein, die doppelte Wellen besitzen, und die Rotorkonfiguration kann
entweder eine Roots-Bauart oder eine Schrauben- bzw. Förderschnecken-Bauart
sein.
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8 zeigt eine Art einer Schraubenvakuumpumpe
mit doppelter Welle. Die Pumpe weist ein Gehäuse 100 auf, das zwei
parallele Wellen 101, 102 aufnimmt, welche Schraubenrotoren 103, 104 mit
zueinanderpassenden Schraubengewinden aufweisen. Eine der Wellen 101 wird
durch einen Motor 105 gedreht, und die Drehkraft wird über ein
Getriebe oder Zahnrad 106, das an dem entgegengesetzten
Ende der Welle 101 befestigt ist, auf die andere Welle 102 übertragen.
Durch Drehen der Schraubenrotoren 103, 104 synchron
in einander entgegengesetzte Richtungen, wird ein Gas, das in dem
durch das Gehäuse 100 und
die Schraubenrotoren 103, 104 gebildeten Raum
eingefangen ist, in Axialrichtung transportiert, um durch die zusammenwirkenden
Schraubengewinde ausgestoßen
zu werden.
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Eine
solche Pumpe besitzt eine einfache Struktur und ihre Grundfunktion
besteht darin, ein bestimmtes Gasvolumen, das in dem Gehäuse eingefangen
ist, durch die Drehwirkung der Rotoren 103, 104 zu
bewegen, aber sie hat keine Gaskompressionsfunktion; wenn der Ausstoßprozess
nur auf einer Einzelstufenpumpe beruht, gibt es daher ein Problem,
dass der Leistungsverbrauch pro Einheitsvolumen ausgestoßenen Gases
relativ hoch ist.
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Um
diese Schwierigkeit zu überwinden,
können
Pumpen mit unterschiedlichen Ausstoßkapazitäten derart kombiniert werden,
dass eine Pumpe mit großer
Kapazität
auf der Gaseinlassseite (Niedrigdruckseite) angeordnet ist, und
eine Pumpe mit geringerer Kapazität auf der Gasauslassseite (Atmosphärendruckseite)
angeordnet ist. In diesem Fall könnten
zwei Arten von Systemen betrachtet werden. Ein System ist mit einer
Kombination zweier separater Pumpen vorgesehen, die für jede Pumpe
einen Antriebsmechanismus aufweisen. Das andere System ist eine
Kombination aus zwei Schraubenrotoren, die auf derselben Antriebswelle
befestigt sind.
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Wenn
zwei unterschiedliche Pumpen kombiniert werden sollen, sind zwei
Mechanismen notwendig und infolge dessen wären die Anforderungen an Bauraum
und Kosten hoch, und der Leistungsverbrauch würde auch ansteigen. Es ist
auch notwendig, Verbindungsleitungen für die zwei Pumpen vorzusehen,
und wenn die Temperaturen der Leitungen abnehmen, können Reaktionspartikel
von den Prozessgasen, die für
die Halbleiterverarbeitung (beispielsweise Ätzen, chemische Dampfabscheidung,
Sputtern und Verdampfung), auf den Innenwänden der Rohre abgeschieden
werden, was eine häufige
Systemwartung erfordert.
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Wenn
andererseits zwei Rotoren an einer Antriebsquelle befestigt sind,
müssen
sich die zwei Rotoren mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, und
obwohl diese Konfiguration während
des Stetigzustandsbetriebs keine Probleme macht, werden dennoch
beim Starten des Ausstoßes
von Gas mit atmosphärischem
Druck aus der Prozesskammer Schwierigkeiten auf der Niedrigdruckseite
des Systems angetroffen, und zwar wegen eines Staudrucks, der erzeugt wird
durch die Kompression von Gas innerhalb der Pumpe an der Atmosphärendruckseite. Daher
ist im Wesentlichen eine hohe Antriebskraft notwendig. Ein weiteres
Problem tritt auf, wenn zwei Arten von Pumpen auf einer Antriebswelle
angeordnet werden; die Länge
der Rotoren zum Erzeugen einer angemessenen Pumpenleistung wäre lang,
und dann ist es schwierig, die Rotoren nur an einem Ende zu tragen
bzw. zu lagern. Wenn die Rotoren zwischen zwei ein Ende tragenden
Lagern angeordnet sind, wird es arbeitsaufwendig, die Pumpen zu
warten, und es könnte
zu einer schlechten Wartungsfähigkeit
führen.
Auch stellen die Lager am Ende auf der Vakuumseite des Pumpensystems
ein mögliches Verschmutzungs-
bzw. Kontaminationsproblem für die
Prozesskammer dar, und zwar aufgrund der Möglichkeit, dass flüchtige Dämpfe aus
dem Schmiermittel zurück
in die Prozesskammer strömen.
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Es
wird auch auf
US 2,963,884
A hingewiesen, die sich auf Schraubenrotorkompressoren
oder -motoren bezieht, welche mit einem elastischen Arbeitsfluid
arbeiten und ein Gehäuse
und zwei oder mehr Schraubenrotoren aufweisen, welche in Lagern in
dem Gehäuse
angebracht sind und miteinander in Eingriff stehen, um Arbeitskammern
für das
Arbeitsfluid zu bilden. Die Arbeitskammern bewegen sich von einer
Ausrichtung mit einem Einlassanschluss am Gehäuse, in dem ein Strömungsmitteldruck
vohrerrscht, zu einer Ausrichtung mit einem Auslassanschluss an
dem Gehäuse,
an dem ein anderer Strömungsmitteldruck
vorherrscht, während
sich die Rotoren drehen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Kompressoranlage
gezeigt, die aus einem Niedrigdruckprozessor, einem Hochdruckkompressor
und einem Elektromotor besteht, welcher die Kompressoren antreibt.
Die Luft wird von dem Niedrigdruckkompressor durch ein Rohr und
einem Zwischenkühler
zu einem weiteren Rohr und dem Hochdruckkühler geleitet.
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Gemäss der Erfindung
ist eine Fördervakuumpumpe
gemäss
Anspruch 1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine kompakte und
effiziente Vakuumpumpe vom trockenen Typ vorzusehen, die Wartungsarbeiten
erleichtert und in der Lage ist, mit einem geringen Leistungsverbrauch
pro Einheitsvolumen ausgestoßenen
Gases betrieben zu werden. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung
ist, eine Trockenpumpe derart vorzusehen, dass es möglich ist,
Pumpbetriebsparameter, wie beispielweise Betriebstemperaturen und
Ausstoßvolumina
auszuwählen,
wenn Reaktionsprodukte während
des Ausstoßens
eines Prozessgases abgeschieden werden, oder auf die Anwendbarkeit
von Versorgungseinrichtungen, wie beispielsweise Kühlwasser.
Eine solche Pumpe würde eine
kleine kompakte Größe, eine
lange Lebensdauer und einen niedrigeren Energieverbrauch vorsehen.
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Gemäss der vorliegenden
Erfindung ist eine Vakuumpumpe vom Fördertyp vorgesehen mit einem Paar
paralleler Antriebswellen, die sich in entgegengesetzten Richtungen
innerhalb eines Gehäuses drehen,
und mit einem Paar von Schraubenrotoren mit Schraubgewinden, die
auf jeder der Antriebswellen angebracht sind, wobei die Schraubgewinde
zueinander passen bzw. ineinander greifen zum Transportieren und
Ausstoßen
eines Gases, das in einem von dem Gehäuse gebildeten Raum eingefangen
ist, wobei die Pumpe folgendes aufweist: einen ersten Pumpenabschnitt,
welcher ein Paar von Antriebswellen aufweist, die sich in entgegengesetztem
Richtungen innerhalb eines ersten Gehäuses drehen, und welcher ein
Paar von Schraubenrotoren mit Schraubgewinden aufweist, der auf
jeder der Antriebswellen angebracht sind, wobei die Schraubgewinde
zueinander passen bzw. ineinander greifen zum Transportieren und
Ausstoßen
eines in dem ersten Gehäuse eingefangenen
Gases; einen zweiten Pumpenabschnitt, welcher ein Paar von Antriebswellen
aufweist, die sich in entgegengesetzten Richtungen innerhalb des
zweiten Gehäuses
drehen, und welcher ein Paar von Schraubenrotoren mit Schraubgewinden
aufweist, die auf jeder der Antriebswellen angebracht sind, wobei
die Schraubgewinde zueinander passen bzw. ineinander greifen zum
Transportieren und Ausstoßen
eines mit dem zweiten Gehäuse
eingefangenen Gases; und einen Motorabschnitt, der zwischen dem
ersten Pumpenabschnitt und dem zweiten Pumpenabschnitt angebracht
ist zum Antreiben des Paars von Antriebswellen des ersten Pumpenabschnitts
und des zweiten Pumpenabschnitts.
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Entsprechend
können
beide Schraubenrotoren von beiden Pumpenabschnitten in der Länge kurz gehalten
werden, was eine Ausleger-artige Lagerung ermöglicht. Diese Struktur der
Pumpe macht die Doppelwellenschraubenvakuumpumpe einfach und fördert eine
leichte Wartung. Diese Struktur gestattet auch, dass Traglager auf
dem Innenbereich der Pumpe angeordnet werden, wodurch ein Zurückströmen von
flüchtigen
Komponenten in dem Schmiermittel in die Vakuumseite der Pumpe minimiert
wird. Auch sind die Lager weg von der Auslassseite der Pumpe angeordnet,
und zwar insbesondere entfernt vom zweiten Pumpenabschnitt, um ihre
Temperatur niedrig zu halten.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Fördervakuumpumpe
vorzusehen, bei der die Antriebswelle durch Lager getragen ist, die
zwischen dem Motorabschnitt und dem Pumpabschnitt angebracht sind
zum Tragen des Schraubenrotors in einer auslegerartigen Weise, wodurch
die Wartungsfreundlichkeit der Pumpe verbessert wird.
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Gemäss einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fördervakuumpumpe
vorgesehen, deren erster Pumpenabschnitt eine Ausstoßkapazität besitzt,
die höher
ist als eine Ausstoßkapazität des zweiten
Pumpenabschnitts; entsprechend ist in einem Niedrigdruckbereich
des Gaseinlassdrucks der Leistungsverbrauch pro Einheitsvolumen
von ausgestoßenem
Gas niedrig.
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Gemäss einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fördervakuumpumpe
vorgesehen, die kein Schmieröl
zum Schmieren der Lager verwendet; entsprechend werden mögliche Verschmutzungs-
bzw. Kontaminationsquellen vermindert.
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Gemäss einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fördervakuumpumpe
vorgesehen, bei der ein Paar von Antriebswellen magnetisch gekoppelt
ist und sich synchron miteinander dreht.
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Gemäss einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fördervakuumpumpe
vorgesehen, bei der ein Gasströmungsdurchlass
innerhalb des Motorabschnitts vorgesehen ist zum Transportieren
eines ausgestoßenen
Gases von dem ersten Pumpenabschnitt zu dem zweiten Pumpenabschnitt.
Entsprechend wird die Pumpe kompakt und bietet den Vorteil, dass
ermöglicht
wird, dass in den Wicklungen erzeugte Wärme an den Gasdurchlass abgegeben
wird.
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Gemäss einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fördervakuumpumpe
vorgesehen, bei der ein Gasströmungsdurchlass
außerhalb
des Motorabschnitts vorgesehen ist zum Transportieren eines ausgestoßenen Gases
von dem ersten Pumpenabschnitt zu dem zweiten Pumpenabschnitt. Entsprechend
wird die Steuerung der Temperatur des Gasdurchlasses und die Wartungsarbeit
erleichtert.
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Gemäss einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fördervakuumpumpe
vorgesehen, bei der ein Bypass-Durchlass vorgesehen ist zum Vermindern
bzw. Ableiten eines Druckanstiegs durch Leiten eines Gases von einem
Einlass des zweiten Pumpenabschnitts zu einem Gasauslassanschluss
davon, wenn ein Einlassdruck des zweiten Pumpenabschnitts einen
Auslassdruck davon übersteigt.
Entsprechend wird beim Betrieb in einem Hochdruckbereich des Gaseinlassdrucks
ermöglicht, einen
Anstieg des Innendrucks der Pumpe zu vermeiden, wodurch ermöglicht wird,
dass das erforderliche Drehmoment für die Rotoren vermindert wird.
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Gemäss einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fördervakuumpumpe
vorgesehen, bei der Steuermittel vorgesehen sind zum Vermindern
der Drehgeschwindigkeit der Antriebswellen, um den Leistungsverbrauch
im Wesentlichen konstant zu halten, wenn der Druck zu hoch wird, so dass
das Nenndrehmoment des Motorabschnitts überschritten wird. Entsprechend
wird ermöglicht, den
Leistungsverbrauch im Wesentlichen konstant zu halten während der
Start- und Stetigbetriebsphasen der Pumpe, wodurch Probleme vermieden
werden, die durch übermäßigen Stromfluss
durch die Wicklungen hervorgerufen werden.
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Die
obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand von Beispielen darstellen. In den Zeichnungen
werden die gleichen oder äquivalenten
Teile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine horizontale Querschnittsansicht
eines ersten Ausführungsbeispiels
der Vakuumpumpe der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Querschnittsansicht,
gesehen entlang eines Schnitts entlang des Pfeils A in 1.
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3 ist ein Blockdiagramm
der elektrischen Schaltung der Vakuumpumpe.
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4 ist ein Schaubild, das
die Drehmomentcharakteristika bei unterschiedlichen Graden von Vakuum
zeigt, welches von der Vakuumpumpe erzeugt wird.
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5 ist ein Schaubild, das
die Ausstoßgeschwindigkeit,
die Drehgeschwindigkeit und den Leistungsverbrauch der Vakuumpumpe
darstellt.
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6 ist eine schematische
Darstellung des Betriebsbereichs der Vakuumpumpe.
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7A bis 7D sind schematische Darstellungen von
anderen Ausführungsbeispielen
der Vakuumpumpe der vorliegenden Erfindung.
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8 ist eine Querschnittsansicht
einer herkömmlichen
Schraubenvakuumpumpe.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
Vakuumpumpe 1 weist ein Paar paralleler Wellen 2a, 2b auf,
die innerhalb eines Gehäuses mit
drei getrennten Kammern, vorgesehen entlang der Längsachse,
angeordnet sind. Im mittleren Bereich der Pumpe 1 umfasst
ein zylindrisch geformtes Motorgehäuse 3 eine Motorkammer 4.
Auf der linken Seite (Gaseinlassseite) und auf der rechten Seite (Gasauslassseite)
der Motorkammer 4 sind eine erste Pumpkammer 7 bzw.
eine zweite Pumpkammer 8 vorgesehen, die durch die entsprechenden
Pumpengehäuse 5, 6 definiert
werden. Zwischen der Motorkammer 4 und den Pumpkammern 7, 8 sind
motorseitige Trennringe 9, 10 dazwischen vorgesehen
zum Trennen der Pumpkammern 7, 8 von der Motorkammer 4.
Die Enden der Pumpengehäuse 5, 6 sind
mit Endabdeckungen 13, 14 geschlossen, die einen (Prozess-)
Gaseingangsanschluss 11 oder einen (Prozess-) Gasauslassanschluss 12 im
mittleren Bereich besitzen.
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Die
Wellen 2a, 2b gehen, wie oben beschrieben, durch
die drei Kammern 4, 5 und 6 hindurch
und sind frei drehbar getragen durch ein Paar von Lagern (Kugellagern) 15a, 15b auf
der Einlassseite und ein Paar von Lagern (Kugellagern) 16a, 16b auf
der Auslassseite, und zwar eingebaut in den entsprechenden motorseitigen
Trennringen 9, 10. Jede Welle 2a, 2b ist
an einem Ende getragen, und zwar in der sogenannten Ausleger-Art,
und die entgegengesetzten Enden sind innerhalb der Pumpkammern 7, 8 frei drehbar
angeordnet.
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Jedes
Paar von Lagern 15a, 15b und 16a, 16b wird
mit einem Schmiermittel geschmiert und in die Lagergehäuse 17, 18 eingesetzt,
die in den motorseitigen Trennringen 9, 10 der
jeweiligen Kammern fest angeordnet sind.
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Die
Motorkammer 4 wird als nächstes in Einzelheiten beschrieben.
Magnete 20a, 20b sind am Außenumfang der Wellen 2a, 2b befestigt,
und in diesem Fall sind die Magneten 20a, 20b mit
abwechselnden vier Nord- und Süd-Polen versehen,
wie es in 2 gezeigt
ist. Die Eisenkern-Statoren 21a bis 26b, die die
magnetischen Rotoren 20a, 20b umgeben, sind so
angeordnet, dass sie an ebenen Symmetrie-Positionen der zwei Wellen
elektrisch verbunden sind bzw. aneinander anschließen. Dadurch
wird ein Synchronmotor M mit Doppelwellen vorgesehen, die sich synchron
miteinander drehen können,
unabhängig
davon, ob der Motor angetrieben ist oder nicht.
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Der
Motor M ist ein bürstenloser
Gleichstrommotor, und zum Betrieb dieses Motors M wird die Wechselstromversorgungsleistung
zunächst gleichgerichtet,
wie es in dem Blockdiagramm der in 3 angegebenen
elektrischen Schaltung gezeigt ist, und die Leistungsversorgung
an die Motorwicklungen wird durch Umschaltschaltung 41 abgewechselt,
abhängig
von der Winkelposition der Rotoren 20a, 20b. Gemäss dieser
Anordnung können
sich die zwei Wellen 2a, 2b synchron, aber in
entgegengesetzten Richtungen drehen.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist ein Kühlmitteldurchlass 27 zum
Durchfluss von Kühlwasser im
Inneren des Motorgehäuses 3 vorgesehen,
und das Wasserversorgungsrohr, das mit diesem Durchlass in Verbindung
steht, ist mit einem Stromregelventil versehen. Fast die gesamte
Leistung, die in die Vakuumpumpe eingegeben wird, wird in Wärme umgewandelt,
die von dem Pumpenmotor erzeugt wird, beim Komprimieren des Prozessgases.
Das zum Komprimieren des Gases erforderliche Drehmoment ist abhängig von
der Druckdifferenz, aber das Ausgangsdrehmoment des Motors ist relativ
unabhängig von
der Drehgeschwindigkeit, und daher entspricht die von der Pumpe
erzeugte Wärme
der Drehgeschwindigkeit der Pumpe. Daher ist es möglich, die Temperatur
der verschiedenen Abschnitte der Pumpe zu gewissem Grad zu steuern
durch Steuern der Drehgeschwindigkeit und der Strömungsrate
des Kühlwassers.
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Als
nächstes
wird die Struktur der in 1 gezeigten
Pumpenabschnitte 5A, 6A beschrieben Die Innenräume der
Pumpkammern 7, 8 der jeweiligen Wellen 2a, 2b sind
von Schraubenrotoren 28a, 28b und 29a, 29b besetzt,
die Gewinde 30a, 30b (in diesem Fall mit einem
trapezförmigen
Querschnitt) aufweisen, welche in den Außenumfang gearbeitet bzw. gefräst sind,
und die Schraubenrotoren sind an der Welle 2a, 2b durch
Keilringe 40 und Bolzen 41 befestigt. Die auf
den Rotoren selbst geschnittenen Gewinde sind miteinander gekoppelt,
während
sie einen winzigen Freiraum dazwischen beibehalten, und der Außenumfang
der Rotoren wird auch mit einem gewissen Freiraum zu den Pumpengehäusen 5, 6 gehalten.
Die Schraubenrotoren 28a, 28b, 29a, 29b und
die Pumpengehäuse 5, 6 bilden
eine Förderpumpe.
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Die
Form und Größe der Schraubenrotoren 30a und 30b und 28a bis 29b für den ersten
Pumpenabschnitt 5A und den zweiten Pumpenabschnitt 6A werden
wie folgt bestimmt. Obwohl die Achsenabstände der Wellen 2a, 2b im
ersten Pumpenabschnitt 5A und im zweiten Pumpenabschnitt 6A gleich
ist, wird das Ausstoßvolumen
aus dem ersten Pumpenabschnitt 5A um einen bestimmten Betrag
pro Umdrehung größer gemacht
als bei dem zweiten Pumpenabschnitt 6A (in diesem Fall
4 : 1), und zwar durch ordnungsgemäßes Auswählen der Gewindesteigung, des
Außendurchmessers
und des Seelendurchmessers.
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Der
Gasauslassanschluss 31 des ersten Pumpenabschnitts 5A und
der Gaseinlassanschluss 32 des zweiten Pumpenabschnitts 6A stehen
in Verbindung mit dem Gastransportdurchlass 32, welcher durch
den Innenabschnitt des Motorstators hindurch vorgesehen ist. Wie
in 2 zu sehen ist, ist
der Gaslieferdurchlass 32 nahe der Motorwicklungen 34 angeordnet
und wird daher während
des Betriebs durch die von den Wicklungen abgegebenen Wärme erwärmt. Auch
ist ein Bypass-Durchlass 36 mit einem Einwegventil 35 zwischen
dem Einlassanschluss 32 des zweiten Pumpenabschnitts 6A und
dem Auslassanschluss 12 vorgesehen, und das Einwegventil 35 ist
so eingestellt, dass es sich öffnet,
wenn der Druck in dem Gaseinlassanschluss 33 um einen bestimmten
Druckwert höher
wird als der Druck in dem zweiten Auslassanschluss 12.
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Als
nächstes
wird die elektrische Steuerschaltung (Motortreiber) der Fördervakuumpumpe beschrieben
mit Bezug auf das in 3 dargestellte Blockdiagramm.
Die elektrische Steuerschaltung weist eine Gleichrichterschaltung 40,
eine Umschaltschaltung 41 und einen Leistungssteuerabschnitt 42 zum Steuern
der Umschaltschaltung 41 auf, und der Leistungssteuerabschnitt 42 bestimmt
alternativ den Drehgeschwindigkeitsbezugswert und den Strombezugswert
in Übereinstimmung
mit den Ausgangssignalen von den Positions-/Drehungssensoren 43,
die auf dem Motor M vorgesehen sind, sowie von dem Stromsensor,
der auf der Leistungsschaltung vorgesehen ist.
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Bei
dieser Konstruktion der Förderpumpe sind
zwei Sätze
von Schraubenrotoren 28a, 28b und 29a, 29b in
Axialrichtung vorgesehen, sodass die Länge jedes Rotors kürzer ist
als bei der integrierten Konstruktion, die bei der herkömmlichen,
in 8 gezeigten Doppelwellenpumpe
verwendet wird. Insbesondere wenn die Konstruktion eine Gesamtzahl von
sechs Spiralen für
einen Satz von Schraubenrotoren erfordert durch Unterteilen der
Rotoren in zwei Spiralen auf der Einlassseite und vier Spiralen
auf der Auslassseite, kann die Länge
der Rotoren auf jeder Seite (d. h. auf der Vakuumseite und der Druckseite)
gekürzt
werden und dennoch einen gegebenen Grad an Vakuum erzeugen. Die
kurzen Rotoren, wie sie in 1 gezeigt
sind, erzeugen ein geringes Biegemoment und ermöglichen, ein Taumeln oder Schlingern
der Wellenenden auf ein zulässiges
Niveau zu vermindern, selbst wenn die Wellen nur an einem Ende getragen
bzw. gelagert sind.
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Der
Vorteil der auslegerartigen Tragkonstruktion ist die Wartungsfreundlichkeit.
Da die Rotoren 28a bis 29b nur an einem innenseitigen
Ende durch die Lager 15a bis 16b getragen werden
und keine Lager an den Einlass- oder Auslassseiten der Pumpenabschnitte
vorgesehen sind, kann die Pumpe gewartet werden durch einfaches
Entfernen der Endabdeckungen 13, 14 sowie des
Keilrings 40 und der Bolzen 41, um die Schraubenrotoren 28a bis 29b herauszunehmen.
Es ist ersichtlich, dass das Auseinandernehmen der Pumpe einfach
wird und die Wartungsarbeit erleichtert wird. Weil es keine Lager auf
der Gaseinlassseite zur Vakuumpumpe 5A gibt, ist es möglich zu
verhindern, dass flüchtige
Komponenten, die in Lagerschmiermitteln enthalten sind, in die Vakuumseite
zurückströmen.
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Der
Betrieb der Pumpe wird nachfolgend beschrieben. Wenn die Antriebsschaltung
des Motors M aktiviert ist, liefert die Motortreibereinrichtung
Wechselstrom mit einer gegebenen Frequenz an die Statorspule 34,
und die drehenden Magnetfelder des Stators drehen das Paar der Rotoren 20a, 20b.
In diesem Fall sind zwei Wellen 2a, 2b magnetisch
gekoppelt, um in entgegengesetzten Richtung zu drehen, wodurch die
Notwendigkeit vermieden wird, zwischen der Antriebsseite und der
angetriebenen Seite zu unterscheiden, was für mechanisch gekuppelte Pumpen
erforderlich ist, die beispielsweise Zahnräder oder Getriebe 106 verwenden,
wie es in 8 gezeigt
ist. Infolgedessen wird die Drehung der Rotoren weich bzw. rund
und gut synchronisiert.
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Die
drehenden Wellen 2a, 2b bewirken, dass sich die
zusammenpassenden bzw. ineinandergreifenden Schraubenrotoren 28a bis 29b in
den Pumpenabschnitten 5A, 6A drehen, wodurch das
in den Räumen
eingefangene Gas transportiert wird. Das Gas tritt durch den Einlassanschluss 11 des
Pumpenabschnitts 5A ein und strömt in die Schraubenrotoren 28a, 28b und
durch den Gasauslassanschluss 31 in den Gastransportdurchlass 32 und
von dort in den Einlassanschluss der zweiten Pumpe 6A und
wird kondensiert und durch die Schraubenrotoren 29a, 29b transportiert
und von dem Gasauslassanschluss 12 ausgestoßen. Wie
oben beschrieben wurde, ist das Ausgabe- bzw. Fördervolumen von der ersten Pumpe 5A größer ausgelegt
als das von der zweiten Pumpe 6A, und zwar um einen Betrag
pro Umdrehung, und während
des stetigen Zustandsbetriebs kann ein relativ hohes Vakuum erreicht
werden, ohne den Leistungsverbrauch zu erhöhen, obwohl diese eine Fördervakuumpumpe
ist. Während
der Start- bzw. Anlaufbetriebsperiode jedoch bewirkt die Druckdifferenz
in der Auslasskapazität
der zwei Pumpen 5A, 6A, dass der Druck in dem
Gastransportdurchlass 32 erhöht wird. Wenn der Druck am
Einlassanschluss der zweiten Pumpe 6A etwas höher wird
als der Gasauslassdruck (normalerweise ein atmosphärischer
Druck), dann öffnet
sich das Einwegventil 35 in dem Bypass-Durchlass 36.
Das Gas umgeht dann den zweiten Pumpenabschnitt 6A, wodurch
verhindert wird, dass der Druck über
einen vorbestimmten Wert hinaus angehoben wird. Daher wird Sicherheit gewährleistet
und das erforderliche Drehmoment zum Antrieb des ersten Pumpenabschnitts 5A wird wesentlich
vermindert, und der Leistungsverbrauch wird gesenkt, wie es in 4 gezeigt ist.
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Der
Leistungssteuerschabschnitt 32 steuert normalerweise den
Motor M derart, dass eine konstante Drehgeschwindigkeit beibehalten
wird. Während
der Start- bzw.
Hochlaufperiode jedoch ist ein größeres Drehmoment notwendig
als oben erwähnt, und
wenn die Steuereinrichtung eine konstante Drehzahl befiehlt, wird
ein Ausgangsdrehmoment benötigt,
das das Nenndrehmoment des Motors übersteigt. Um dieses Phänomen zu
vermeiden, senkt die Steuereinrichtung die Drehzahl des Motors in
einem Betriebsbereich nahe dem atmosphärischen Druckbereich, in dem
das erforderliche Drehmoment das Nenndrehmoment des Motors übersteigt
(vgl. die Kennlinien in 5 und 6). Daher wird es möglich, die
Pumpe auf allen Druckpegeln unter dem maximalen Drehmomentwert der
Pumpe zu betreiben. Obwohl des möglich
ist, die Drehgeschwindigkeit gemäss
dem Drehmomenterfordernis abzusenken durch direktes Verwenden der
grundlegenden Gleichstrommotorcharakteristiken, die in 6 gezeigt sind, wird jedoch
bei diesem Ausführungsbeispiel
die Drehgeschwindigkeit vermindert durch die Versorgungsspannungssteuerung,
die durch den Leistungssteuerabschnitt 42 vorgesehen ist.
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4 zeigt ein Schaubild der
grundlegenden Leistungscharakteristika des ersten und zweiten Pumpenabschnitts 5A und 6A,
getrennt und in Kombination, mit oder ohne den Bypass-Durchlass.
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Wie
in 4 gezeigt ist, ist
es nur in einem begrenzen Bereich von Drücken möglich, die Grundleistung jedes
Motors direkt zu nutzen. Bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit
kann der Doppelwellensynchrongleichstrommotor ein höheres Drehmoment
erzeugen als der Bereich von Einzelpumpen.
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Durch
Kombinieren von zwei Arten von Pumpen mit zwei unterschiedlichen
Ausstoßkapazitäten, wie
es durch dieses Schaubild gezeigt wird, ist es möglich, während des Stetigzustandbetriebs
eine große
Druckdifferenz zu handhaben. Wenn beispielsweise der Druck am Einlassanschluss 11 des
ersten Pumpen abschnitts 5A 10–2 Torr
ist und der Gasauslassanschluss des zweiten Pumpenabschnitts 6A auf normalem
atmosphärischem
Druck ist, ist der Druck am Gasauslassanschluss 31 des
ersten Pumpenabschnitts 5A, wie auch am Gaseinlassanschluss 33 des
zweiten Pumpenabschnitts, im Bereich von wenigen Torr.
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Das
für den
Pumpenrotor erforderliche Drehmoment hängt von den Druckdifferenzen
ab, die zwischen dem Gaseinlassanschluss 11 und dem Gasauslassanschluss 12 existieren,
und zwar mehr als von der Drehgeschwindigkeit. Jedoch ist der Effekt der
Druckdifferenz am Einlass/Auslass des ersten Pumpenabschnitts 5A für das Drehmomenterfordernis
fast vernachlässigbar
klein, und daher ist, wie in 4 gezeigt
ist, das erforderliche Drehmoment fast gleich wie das erforderliche
Drehmoment für
den zweiten Pumpenabschnitt 6A. Verglichen mit den Drehmomentkurven
für eine
Einzelpumpeneinrichtung, wird daher die erforderliche Leistung pro
Einheit ausgestoßenen
Volumens beim Betrieb der Doppelpumpeneinrichtung geringer, und
das Ergebnis ist, dass die Doppelstufenpumpe der vorliegenden Erfindung
weniger Leistung verbraucht, als die Einzelstufenpumpe, die in 8 gezeigt ist. Da ferner
der Druck am Gasauslassanschluss 31 des ersten Pumpenabschnitts 5A (der
insbesondere gleich ist wie am Gaseinlassanschluss 33 des
zweiten Pumpenabschnitts 6A) nur wenige Torr beträgt, wird
die Temperatur in der Umgebung der Lager durch den Effekt der Gaskompression
nicht sehr erhöht.
Daher wird ermöglicht,
dass die geschmierten Lager stabil betrieben werden ohne Sorge um
ihre Zersetzung oder Zerstörung
aufgrund eines Temperaturanstiegs davon.
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Das
ausgestoßene
Gas von dem ersten Pumpenabschnitt 5A wird zu dem Einlass
des zweiten Pumpenabschnitts 6A durch den Gastransportdurchlass 32 transportiert,
welcher im Inneren des Motorstatorabschnitts ausgebildet ist. Wie
in 2 zu sehen ist, ist
der Gastransportdurchlass 32 nahe zu den Motorwicklungen 34,
und der Durchlass wird von der in den Wicklungen erzeugten Wärme erwärmt. Daher
können
solche Gase, bei denen Reaktionsprodukte sich auf der Innenoberfläche des Durchlasses
bei niedrigen Temperaturen absetzen, von der Pumpe gehandhabt werden
ohne Sorge, dass sie zersetzt werden.
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Wie
auch in 1 und 3 gezeigt ist, ist die Förderpumpe
mit einem Kühldurchlass 27 versehen zum
Leiten von kaltem Wasser in dem Motorrahmen 3. Die meiste
für den
Betrieb der Vakuumpumpe erforderliche Leistung wird verbraucht beim
Komprimieren des Gases, und diese Wärme scheint die Temperatur
des Pumpenmotors anzuheben. Da das Pumpdrehmoment relativ unabhängig ist
von der Drehgeschwindigkeit der Schraubenrotoren, aber stark abhängig ist
von der Druckdifferenz, ist es möglich,
die Menge an erzeugter Wärme
zu steuern durch Einstellen der Drehgeschwindigkeit des Synchronmotors.
Daher kann die Temperatur der verschiedenen Teile der Pumpe zu gewissem
Grad gesteuert werden durch Regeln der Drehgeschwindigkeit und der
Strömungsrate
sowie der Strömungsrate des
Kühlmittels.
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Diese
Merkmale der Pumpe sind insbesondere wichtig für die Verwendung im Bereich
der Halbleitereinrichtungsherstellung, da die Reaktionsprodukte,
die bei Dünnschichtdampfabscheidungsprozessen
und Ätzprozessen
erzeugt werden, von der Dampfphase in die feste Phase sublimiert
werden, abhängig
von den Temperatur-/Druckbedingungen, die in der Pumpe existieren.
Einige der in der Reaktion erzeugten Partikel können sich auf der Innenoberfläche der
Pumpenräume
abscheiden und eine Verschlechterung der Leistung der Pumpe verursachen. Wenn
die Pumpe bei Ätzprozessen
verwendet wird, schädigen
korrodierende Gase passiv die Innenoberfläche der Pumpenräume, aber
das Korrosionsverhalten ist kritischer abhängig von den Temperaturen, die
innerhalb der Pumpe existieren.
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Daher
ist klar, dass das vorliegende Ausführungsbeispiel der Förderpumpe
ermöglicht,
die Lebensdauer zu verlängern,
indem Betriebsvariablen, wie beispielsweise die Menge von Kühlmittel
und die Drehgeschwindigkeit, ausgewählt werden gemäss den Merkmalen
des Herstellungsprozesses, für
den die Pumpe verwendet wird.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Förderpumpe der
vorliegenden Erfindung wurde insbesondere mit Bezug auf die 1 erklärt, aber die Anwendung des Konzepts
ist nicht auf diese bestimmte Pumpenkonfiguration beschränkt. Die 7A bis 7D zeigen verschiedene Arten von Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung. 7A ist
eine schematische Darstellung des oben genannten ersten Ausführungsbeispiels,
das der Pumpenstruktur von 1 entspricht,
und die 7B bis 7C sind schematische Darstellungen
von anderen Ausführungsbeispielen der
Förderpumpe.
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In 7A ist die Antriebsquelle
ein Synchronmotor, der in dem Motorabschnitt M angeordnet ist und
zwei Wellen besitzt, und der Gaslieferdurchlass 32, welcher
die zwei Pumpenabschnitte 5A und 6A verbindet,
ist im Inneren des Motorsabschnitts angeordnet. 7B zeigt den Gasdurchlass 32a,
der innerhalb einer externen Leitungsverbindung 35 vorgesehen
ist, und eine Heizvorrichtung 36 kann je nach Bedarf vorgesehen
sein, um die externe Leitung 35 zu erwärmen. Da es eine externe Verbindung
ist, die die zwei Pumpenabschnitte 5A und 6A verbindet, kann
sie leicht gelöst
bzw. entfernt werden, um Wartungsarbeiten zu erleichtern.
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In 7C ist die Antriebsquelle
ein üblicher Einzelwellenmotor
M', und eine Zahnrad-
bzw. Getriebeanordnung 37 wird verwendet zum Übertragen der
Drehbewegung des Motors M' von
einer Welle zu der anderen Wellen.
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In 7D ist ein Doppelwellensynchronmotor
M kombiniert mit einer Zahnrad- bzw.
Getriebeanordnung 37, um die Synchronizität weiter
zu verbessern. In allen Fällen
wird eine Antriebsquelle verwendet, um zwei Pumpenabschnitte 5A, 6A zu
betreiben, um eine Vakuumumgebung effizient und bei geringem Leistungsverbrauch
zu erreichen. Die Schraubenrotoren 28a bis 29b werden
nur an einem Ende getragen, um eine einfache Konstruktion und Wartungsfreundlichkeit
zu bieten. Es sei bemerkt, dass die in den 7C und 7D gezeigten
Konfigurationen auch kompatibel sind mit entweder einer externen oder
einer internen Anordnung der Gasdurchlässe 30, 32a,
die in den 7A und 7B gezeigt sind.
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Es
sei auch bemerkt, dass obwohl die obigen Erklärungen auf Vakuumbetrieb bezogen
waren, die Ausführungsbeispiele
der Pumpe in gleicher Weise effektiv sind, wenn sie als Kompressor
verwendet werden, in dem ein niedriger Druck auf der Gaseinlassseite
und ein hoher Druck auf der Gasauslassseite der in den Ausführungsbeispielen
gezeigten Pumpe vorhanden ist.
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Die
vorliegende Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden:
- 1. Die Schraubenrotoren in der Doppelwellenfördervakuumpumpe
sind unterteilt in zwei Stufen, Gaseinlass- und Gasauslassanschlüsse, und
der Antriebsmotor ist in dem mittleren Abschnitt der Gesamtpumpe
angeordnet, und die Rotoren sind an den freien Enden jeder der Wellen
befestigt. Diese Konfiguration ermöglicht, dass die folgenden
Vorteile erreicht werden:
- (a) Die Länge
der Rotoren kann kürzer
gemacht werden als bei einer herkömmlichen Einzelstufenstruktur,
und die auslegerartige Lagerung der Rotoren erleichtert den Zugang
zu den Rotoren zur Wartung.
- (b) Die Lager (nahe zum Gaseinlassende) sind von der Vakuumseite
der Pumpe beabstandet, so dass ein Zurückströmen von flüchtigen Bestandteilen des Schmiermittels
verhindert wird.
- (c) Die Lager (an beiden Enden) sind von der Gasauslassseite
der Pumpe beabstandet, so dass die Betriebstemperatur niedriger
ist.
- 2. Die Förderkapazität der Einlassseite
der Pumpe ist höher
als auf der Auslassseite der Pumpe, so dass selbst im Bereich von
niedrigen Auslassdrücken,
der Leistungsverbrauch pro Einheitsvolumen an ausgestoßenem Gas
niedrig ist.
- 3. Der Antriebsmotor ist ein Synchrongleichstrommotor, so dass
keine anderen Schmiermittel als die für die Lager notwendig sind.
- 4. Die Kombination aus einem Bypass-Durchlass und einem Einwegventil
ermöglicht
es, zu verhindern, dass der Druck am Einlass zu der Gasauslassseite
der Pumpe den Druck am Gasauslassanschluss übersteigt. Aufgrund dieser
Anordnung ist die vorliegende Pumpe in der Lage, bei einem größeren Bereich
von Drücken
zu arbeiten, verglichen mit einem System, das diese Anordnung nicht
hat, und zwar:
- (a) ohne den Innendruck der Pumpe zu erhöhen, und
- (b) ohne ein größeres Drehmoment
zu benötigen.
- 5. Der Gastransportdurchlass zum Transportieren von Auslassgas
von der Gaseinlassseite zu der Gasauslassseite der Pumpe ist im
Inneren des Motorstators ausgebildet, so dass der Gastransportdurchlass
von der Wärme
der Motorwicklungen erwärmt
werden kann.
- 6. Die Betriebstemperatur der Pumpe wird gesteuert durch Wählen eines
geeigneten Kühlmittels
und durch Anpassen der Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors.
- 7. In einem Druckbereich, der das Nenndrehmoment des Antriebsmotors übersteigt,
ist es möglich,
die Leistung des Antriebsmotors im Wesentlichen konstant zu halten
durch Absenken der Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors.
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Obwohl
ein bestimmtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt und in Einzelheiten beschrieben
wurde, ist verständlich,
dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen gemacht werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
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Gemäss ihrem
breitesten Aspekt betrifft die Erfindung eine Fördervakuumpumpe, die folgendes aufweist:
einen
ersten Pumpenabschnitt mit einem Paar von Antriebswellen, die sich
innerhalb eines ersten Gehäuses
in entgegengesetzten Richtungen drehen, einen zweiten Pumpenabschnitt
mit einem Paar von Antriebswellen, die sich in einem zweiten Gehäuse in entgegengesetzten
Richtungen drehen, und
einen Motorabschnitt, der zwischen dem
ersten Pumpenabschnitt und dem zweiten Pumpenabschnitt angebracht
ist.