DE69815806T2

DE69815806T2 - Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE69815806T2
Application number: DE69815806T
Authority: DE
Inventors: Mauro De Simon; Vincenzo Spaziani
Original assignee: Varian SpA
Current assignee: Varian SpA
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2018-06-18
Also published as: ITTO971139A1; EP0931939A2; HK1021401A1; IT1297347B1; EP0931939B1; DE69815806D1; EP0931939A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Hochvakuums und eines Ultrahochvakuums.
Auf dem Gebiet von Vakuumpumpen ist, um niedrigere Druckwerte als 10^–2 Pa zu erhalten, die Verwendung von mechanischen Pumpen, die Turbomolekularpumpen genannt werden, bekannt.
Ein Beispiel einer Vakuumpumpe vom Turbomolekulartyp ist in EP-A-0 445 855 im Namen des vorliegenden Anmelders offenbart.
Turbomolekularpumpen sind jedoch nicht in der Lage, das abgesaugte Gas direkt auf den Atmosphärendruck, typischerweise 10⁵ Pa, abzuführen.
Um Hochvakuum- oder Ultrahochvakuum-Bedingungen bei der Verwendung von mechanischen Turbomolekularpumpen zu erhalten, sind komplizierte Pumpsysteme zu ersinnen, in denen gleichzeitig sowohl eine Primärpumpe vom Turbomolekulartyp als auch eine Sekundärpumpe oder Vorvakuumpumpe vom mechanischen Typ, wie z. B. eine Rotations- oder Membranpumpe, vorhanden sind.
Die zwei zusammengeschlossenen Pumpen sind durch einen Rohrverteiler in Reihe geschaltet, welcher die Auslassöffnung der primären Turbomolekularpumpe mit der Ansaugöffnung der sekundären oder Vorvakuumpumpe in Verbindung bringt, während die Auslassöffnung der Sekundärpumpe zum Abführen an den Atmosphärendruck direkt mit der das Pumpsystem umgebenden Umgebung in Verbindung steht.
Während des Betriebs des Pumpsystems wird die Sekundär- oder Vorvakuumpumpe bezüglich der Primärpumpe im voraus betrieben, um innerhalb des die zwei Pumpen koppelnden Rohrverteilers die zweckmäßigen Druckbedingungen herzustellen, und erst nach dem Erreichen derartiger Bedingungen wird die primäre Turbomolekularpumpe gestartet.
Anschließend werden beide Pumpen zusammen betrieben, bis sie ein Kompressionsverhältnis erreichen, das durch separates Betreiben jeder Pumpe nicht erhalten werden könnte.
Ein Pumpsystem mit einer Primärpumpe und einer Sekundärpumpe, wie vorstehend erörtert, ist beispielsweise in EP-A-0 256 234 und DE-A-4 320 963 offenbart.
Das in der obigen EP-Anmeldung offenbarte System sieht den Zusammenschluss von zwei miteinander gekoppelten Vakuumpumpen durch eine gekrümmte Leitung vor, die für beide Pumpen extern ist und die Auslassöffnung der Primärpumpe mit der Ansaugöffnung der Sekundärpumpe in Verbindung bringt.
Ein solches System weist trotzdem den Nachteil auf, dass es beschwerlich und komplex ist, da es einen Rahmen zum Abstützen der zwei in Reihe geschalteten Pumpen und externe Verbindungen mit den Pumpen für den Gasdurchlass erfordert.
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Vakuumpumpsystems, das in der Lage ist, auf den Atmosphärendruck abzuführen, und das sowohl kompakt als auch leicht herzustellen ist.
Diese erste Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vakuumpumpe nach Anspruch 1 gelöst.
Derzeit werden trockene Membranpumpen als Sekundär- oder Vorvakuumpumpen verwendet.
Die Vorteile der Membranpumpen liegen darin, dass sie sehr kompakt sind, kein Schmiermittel erfordern und ziemlich wirksam sind, aber andererseits ist ihre durchschnittliche Betriebslebensdauer aufgrund des Membranverschleißes, der einen häufigen Austausch der Membran erfordert, ziemlich kurz.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher das Vorsehen eines einfacheren Membranaustauschs in Membranpumpen, die als Vorvakuumpumpen von Pumpsystemen für Hochvakuum und Ultrahochvakuum verwendet werden.
Diese zweite Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vakuumpumpe nach Anspruch 5 gelöst.
Ein üblicher Nachteil der Pumpsysteme liegt ferner darin, dass jede Pumpe durch einen zweckorientierten Elektromotor angetrieben wird und folglich jeder Motor eine separate Stromversorgung erfordert, was den Stromverbrauch erhöht.
Daher sind die bekannten Systeme zur Verwendung in tragbaren Einheiten, in denen die elektrische Stromversorgung von Batterien bereitgestellt wird, nicht geeignet.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde vorgeschlagen, die Sekundär- oder Vorvakuumpumpe periodisch abzuschalten, wenn einige vorbestimmte Bedingungen erreicht sind.
Ein Pumpsystem, das zum Erreichen von Hochvakuumbedingungen und zum Sorgen für das periodische Stoppen der Sekundärpumpe ausgelegt ist, ist in EP-A-0 373 975 offenbart.
Ein solches System umfasst eine Gasreservoirkammer, die zwischen der Primärpumpe und der Sekundärpumpe angeordnet ist, und ein Ventil zum Verschließen des Gasdurchlasses von der Kammer zur Sekundärpumpe.
Wenn der Druck in der Reservoirkammer niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, wird das Ventil geschlossen und die Sekundärpumpe wird gestoppt, wobei somit der elektrische Stromverbrauch verringert wird.
Dieses System ist jedoch durch die Anwesenheit einer Reservoirkammer für das Gas kompliziert und unterliegt aufgrund der Anwesenheit eines Absperrventils eher einem Bruch.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, das Problem zu lösen, leicht eine Verringerung des Stromverbrauchs in Hochvakuum-Pumpsystemen zu erhalten.
Diese dritte Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vakuumpumpe nach den Ansprüchen 17 bis 20 gelöst.
Ein weiterer Vorteil der in den Ansprüchen 17 bis 20 beanspruchten Lösung besteht darin, dass die durchschnittliche Lebensdauer der Membranen in den Membranpumpstufen beträchtlich verlängert wird, da diese Pumpstufen mit einer Geschwindigkeit betrieben werden, die beträchtlich niedriger ist als die üblicherweise in den Pumpsystemen verwendete.
Eine ausführliche Beschreibung von einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung folgt mit speziellem Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gilt:
1 ist eine Seitenschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe;
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1;
3 ist eine Seitenschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe;
4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von 3;
5 zeigt eine Kurve, die den minimalen Druckpegel, der durch eine herkömmliche Membranpumpe erhalten werden kann, als Funktion der Drehzahl darstellt;
6 ist ein schematisches Diagramm eines Systems zum Steuern der Drehzahl eines Motors, der die Membranstufen antreibt, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 ist ein Kurvenbild, das den vom Motor der Molekularpumpstufen entnommenen Strom als Funktion des Auspumpdrucks der Stufen darstellt;
8 ist ein schematisches Diagramm eines Systems zum Steuern der Drehzahl des Motors der Membranstufen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Mit Bezug auf 1 ist eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe 1 zum Erzielen von Hochvakuum- und Ultrahochvakuumbedingungen und mit einer Vielzahl von Pumpstufen 2 vom Molekulartyp und einer Vielzahl von Pumpstufen 3 vom Membrantyp gezeigt.
Die Molekularpumpstufen 2 sind in einem ersten Teil 4a eines zylindrischen Pumpengehäuses 5 untergebracht und die Membranpumpstufen 3 sind in einem zweiten Teil 4b des Gehäuses 5 untergebracht.
Vorteilhafterweise ist zwischen dem ersten Teil 4a und dem zweiten Teil 4b ein gemeinsamer Durchlass 7 vorgesehen, der in der Wand 28 des zylindrischen Gehäuses 5 ausgebildet ist und durch den die aus den Molekularpumpstufen 2 abgeführten Gase durch die Membranpumpstufen 3 angesaugt werden. Der Kanal 7 ist bezüglich des Pumpenkörpers axial gerichtet und ist vollständig innerhalb der Wand des Pumpengehäuses untergebracht.
In dem in 1 dargestellten Beispiel sind die Molekularpumpstufen 2 durch das Zusammenwirken von Rotorscheiben 8a, die mit Flügeln versehen sind, und glatten Rotorscheiben 8b mit jeweiligen Statorringen 9a und 9b hergestellt.
Zwischen solchen Rotorscheiben und Statorringen sind Kanäle 6a und 6b zum Pumpen der durch den Saugeinlass 10 der Pumpe 1 angesaugten Gase und zum Abführen derselben in den Kanal 7 vorhanden.
Die Rotorscheiben 8a und 8b sind einteilig mit einer Welle 11, die durch ein Paar von Kugellagern 12a und 12b abgestützt ist.
Zwischen den Kugellagern 12a und 12b befindet sich ein erster Elektromotor 13, der die Welle 11 typischerweise mit einer Drehzahl, die zwischen 20000 und 100000 U/min liegt, zur Drehung antreibt.
Der Elektromotor 13 wird durch eine elektrische Versorgungsleitung 14 von einer ersten elektronischen Steuereinheit 15 des Motors 13 gespeist, wobei die Einheit in einem Raum 16 am entgegengesetzten Ende der Pumpe 1 bezüglich des Ansaugeinlasses 10 untergebracht ist.
Nahe dem entgegengesetzten Ende der Pumpe 1 bezüglich des Ansaugeinlasses 10 ist in einem im Wesentlichen zylindrischen Raum 20 des zweiten Gehäuseteils 4b eine Vielzahl von Membranpumpstufen 3 untergebracht, die aus drei elastischen Membranen 40, vorzugsweise aus Viton^TM, bestehen und die radial um eine Kurbelwelle 22 angeordnet sind und mit einer solchen Kurbelwelle 22 durch jeweilige Verbindungsstangen 23 verbunden sind.
Ein erstes Ende 24 von jeder Verbindungsstange 23 ist in der Mitte der entsprechenden Membran 40 befestigt, während das entgegengesetzte Ende mit einem Kopfelement 25 ausgestattet ist, das mit einem Querloch versehen ist, um die Stange mit dem mittleren röhrenförmigen Teil der Kurbelwelle 22 drehbar zu koppeln.
Die Kurbelwelle 22 umfasst ferner einen ersten Endabschnitt 26, der in Richtung der Ansaugseite der Pumpe 1 angeordnet ist, und einen zweiten Endteil 27, der in Richtung des anderen Endes der Pumpe 1 angeordnet ist.
Gebläse 29a und 29b, die mit Flügeln versehen sind, sind an den ersten und den zweiten Kurbelwellenendteil 26 bzw. 27 angefügt, was eine Einheit zur Zwangsluftkühlung zum Kühlen der Räume 16 und 20 bildet.
Zusätzlich zur bereits erwähnten elektronischen Einheit 15 zum Steuern des Motors 13 enthält der Raum 16 einen zweiten Motor 30 zum Drehen der Kurbelwelle 22 typischerweise mit einer Drehzahl, die zwischen 1000 und 4000 U/min liegt, und eine zweite elektronische Einheit 31 zum Steuern des zweiten Elektromotors 30.
Der Endteil 26 der Kurbelwelle 22 ist ferner durch ein Lager 21 abgestützt und ist mit der Welle 11 der Molekularpumpstufen im Wesentlichen koaxial.
Die Luft im Raum 16 wird durch die Gebläse 29a und 29b angesaugt und durch einen radialen Auslassdurchgang 32 in der Wand 28 des Gehäuses 5 abgeführt.
Eine Wand 33 ist zwischen dem Gebläse 29b und dem Raum 16 angeordnet, um den Raum 20 vom Raum 16 zu trennen, und der zweite Motor 30 sowie die elektronischen Steuereinheiten 15 und 31 sind an einer derartigen Wand befestigt.
Der Raum 16 ist ferner von einer im Wesentlichen zylindrischen Abdeckung 34 umschlossen, die mit Schlitzen 35 für den Einlass der Luft zum Kühlen der elektronischen Bauteile und des darin untergebrachten Motors versehen ist.
Wie in 2 besser gezeigt ist, ist jede der Membranen 40 in einer entsprechenden Pumpkammer 41a, 41b und 41c aufgenommen, die in der Wand 28 des Gehäuses 5 ausgebildet sind, und ist am Umfang innerhalb der Pumpkammer durch einen Metallring 42 festgehalten, der an der Außenkante der Pumpkammer 41a, 41b und 41c durch eine Vielzahl von Schrauben 43 befestigt ist.
Die Membranpumpstufen 3 sind ferner durch Umfangskanäle 44a und 44b, die in der Wand 28 des zweiten Teils 4b des Gehäuses 5 ausgebildet sind, miteinander in Reihe geschaltet.
Der Kanal 44a bringt das Gasauslassloch oder die Gasauslassöffnung 45a der Pumpkammer 41a mit dem Gasansaugloch oder der Gasansaugöffnung 46b der benachbarten Pumpkammer 41b in Verbindung und der Kanal 44b bringt die Auslassöffnung 45b der Pumpkammer 41b mit der Ansaugöffnung 46c der benachbarten Pumpkammer 41c in Verbindung.
Die Pumpkammer 41a ist ferner mit einer Ansaugöffnung 46a versehen, die direkt in den gemeinsamen Gasdurchlass 7 mündet, während die Pumpkammer 46c mit einer Auslassöffnung 45c versehen ist, die in dem dargestellten Beispiel von 1 und 2 durch einen Stopfen 47 verschlossen ist.
Wieder mit Bezug auf 1 ist das zylindrische Gehäuse 5 vorteilhafterweise durch zwei Hälften ausgebildet, die durch Schrauben 61 aneinander befestigt sind, wobei die Verbindungslinie zwischen den zwei Hälften durch den Pfeil 60 angegeben ist.
In dieser Weise werden die Pumpenwartungsvorgänge, insbesondere der Zugang zum Motor 13 der Molekularpumpstufen, sowohl möglich als auch leicht gemacht.
Überdies ist entsprechend dem Teil 4b, der die Membranpumpstufen 3 enthält, das Gehäuse 5 mit einem offenen Abschnitt versehen, der im Wesentlichen wie ein Hufeisen geformt ist, was den Austausch der Membranen 40, die innerhalb der Membranpumpstufen 3 enthalten sind, erleichtert.
Mit Bezug auf 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem eine Vakuumpumpe 101 zum Erhalten von Hochvakuumbedingungen eine Vielzahl von Pumpstufen 102 vom Molekulartyp und eine Vielzahl von Pumpstufen 103 vom Membrantyp umfasst.
Die Molekularpumpstufen 102 sind in einem ersten Teil 104a des zylindrischen Pumpengehäuses 105 untergebracht und die Membranpumpstufen 103 sind in einem zweiten Teil 104b des Pumpengehäuses 105 entsprechend der Basis 150 der Vakuumpumpe untergebracht.
Vorteilhafterweise stehen der erste Teil 104a und der zweite Teil 104b über einen gemeinsamen Durchlass 107 in Verbindung, der in der Wand 128 des zylindrischen Gehäuses 105 ausgebildet ist, und die durch die Molekularpumpstufen 102 abgeführten Gase werden durch die Membranpumpstufen 103 durch diesen gemeinsamen Durchlass 107 angesaugt.
Ähnlich dem in 1 und 2 dargestellten Beispiel bestehen die Molekularpumpstufen 102 aus Rotorscheiben 108a, die mit Flügeln versehen sind, und aus glatten Rotorscheiben 108b, die mit jeweiligen Statorringen 109a und 109b zusammenwirken.
Zwischen den Rotorscheiben und den Statorringen sind Gaspumpkanäle 106a und 106b mit den Gasen ausgebildet, die durch den Saugeinlass 110 der Pumpe 101 eingesaugt und dann in den Kanal 107 abgeführt werden.
Ähnlich dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Rotorscheiben 108a und 108b mit einer drehbaren Welle einteilig, die durch ein Paar von Lagern abgestützt wird, und ein erster Elektromotor zum Antreiben der drehbaren Pumpenwelle befindet sich zwischen derartigen Lagern.
Der erste Elektromotor wird über eine elektrische Versorgungsleitung von einer ersten elektronischen Steuereinheit 115 gespeist, die in einem Raum 116 am entgegengesetzten Ende der Pumpe 101 bezüglich der Ansaugöffnung 110 im Wesentlichen um die Basis 150 untergebracht ist.
Auf einer solchen entgegengesetzten Seite der Pumpe 101 bezüglich der Ansaugöffnung 110 sind entsprechend der Pumpenbasis 150 wiederum ein Paar von Membranpumpstufen 103 jeweils mit einer Membran 140, die durch jeweilige Verbindungsstangen 123 mit einer Kurbelwelle 122 verbunden ist, untergebracht. Überdies liegen solche Membranen 140 im Wesentlichen in einer gleichen Ebene.
Ein erstes Ende 124 von jeder Verbindungsstange 123 ist in der Mitte der entsprechenden Membran 140 befestigt, während das entgegengesetzte Ende mit einem Kopfelement 125 ausgestattet ist, das mit einem Querloch zum drehbaren Koppeln der Stange mit den entgegengesetzten Enden 126 und 127 der Kurbelwelle 122 versehen ist.
Die Kurbelwelle 122 umfasst ferner einen ersten Endabschnitt 126, der am Rotor eines zweiten Elektromotors 130, der die Kurbelwelle 122 antreibt, befestigt ist.
Innerhalb des Raums 116 sind zusätzlich zum vorstehend erwähnten Kurbelmechanismus zum Bewegen der Membranen 140a und 140b und zum zweiten Motor 130 eine zweite elektronische Steuereinheit 131 für den zweiten Motor 130 und ein Paar von elektrischen Gebläsen 129a und 129b angeordnet.
Dank solcher elektrischer Gebläse 129a und 129b werden die innerhalb des Raums 116 untergebrachten Bauteile einer Luftströmung ausgesetzt, die die Temperatur innerhalb des Raums 116 unter Kontrolle hält.
Die von den elektrischen Gebläsen 129a und 129b erzeugte Luftströmung kühlt ferner die Pumpenbasis 150, die die "heißen" Bauteile wie z. B. den Motor und die Stützlager der Drehwelle der Molekularstufen enthält.
Der Raum 116 ist ferner von einem prismatischen Behälter 134 umschlossen, der mit Schlitzen 135a bzw. 135b für den Einlass und Auslass der von den elektrischen Gebläsen 129a und 129b angesaugten Kühlluft versehen ist.
Wie in 4 besser gezeigt, ist jede der Membranen 140 in einer entsprechenden Pumpkammer 141a und 141b untergebracht, die in der Basis 150 ausgebildet sind.
Die Membranen 140 sind am Umfang innerhalb der entsprechenden Pumpkammer 141a und 141b durch einen Metallring 142 festgehalten, der an der Außenkante der Pumpkammer durch eine Vielzahl von Schrauben 143 befestigt ist.
Die Membranpumpstufen 103 sind durch einen Umfangskanal 144, der in der Basis 150 des Gehäuses 105 ausgebildet ist, miteinander in Reihe geschaltet.
Dieser Kanal 144 bringt die Auslassöffnung 145a der Pumpkammer 141a mit der Ansaugöffnung 146b der benachbarten Pumpkammer 141b in Verbindung.
Die Pumpkammer 141a ist ferner mit einer Ansaugöffnung 146a versehen, die direkt in den gemeinsamen Gasdurchlass 107 mündet, während die Pumpkammer 141b mit einer Auslassöffnung 145b zum Auspumpen der Gase zur Außenseite der Pumpe durch einen Kanal 147, der sich radial durch die Basis 150 erstreckt und mit einem Loch 148 endet, versehen ist.
Die Membranpumpstufen sind so ausgelegt und bemessen, dass sie die zweckmäßigen Anforderungen für den maximalen Abführungsdruck (PMOLmax) der Molekularstufen und für die maximale Strömung (Qmax), die bei den speziellen Verwendungsbedingungen der Vakuumpumpe erforderlich sind, erfüllen.
Bei der Konstruktion der Membranpumpstufen müssen folglich sowohl der minimale Druck (PMEMmin), der durch die Membranstufen ohne irgendeine Gasströmung erzielt werden kann – der geringer sein muss als PMOLmax – als auch die Pumpnenngeschwindigkeit (SMEM) der Membranstufen – die größer sein muss als Qmax/PMOLmax – berücksichtigt werden.
Die erste Bedingung: C1) PMEMmin < PMOLmaxstellt sicher, dass die Membranstufen in der Lage sind, im Ansaugkanal den maximalen Druck zu erzeugen, den die Molekularstufen erreichen können, zumindest bei Abwesenheit einer Gaslast.
Die zweite Bedingung: C2) SMEM > Qmax/PMOLmaxstellt sicher, dass die unmittelbar benachbarten Membranstufen mit dem gesamten Gas, das durch die Molekularstufen gepumpt wird, fertig werden.
Unter Verwendung eines Paars von Membranpumpstufen, die in Reihe angeordnet sind, ist der minimale Druck PMEMmin, der ohne irgendeine Gasströmung erreicht werden kann, etwa 1000 Pa, wohingegen bei der Verwendung von vier Pumpstufen in Reihe es im Allgemeinen möglich ist, Drücke von etwa 100 Pa zu erzielen.
Unter Verwendung von Turbomolekularpumpstufen, die mit glatten Rotorscheiben ausgestattet sind, war es möglich, Abführungsdrücke für die Molekularstufen in der Größenordnung von 1000 Pa zu erhalten, wobei somit die Verwendung von Vorvakuumpumpen der zweistufigen Membran mit niedrigen Kosten ermöglicht wird.
Die vom Anmelder ausgeführte Untersuchung zeigte, dass in vielen Anwendungen, in denen ein Vakuumpumpsystem verwendet wird, die maximale Gasströmungsbedingung nur für kurze Zeiten des Pumpenbetriebs auftritt, während für die meiste Betriebszeit die Gasströmung praktisch Null ist.
Während des Zeitintervalls, in dem die Strömung Null ist, muss nur die Bedingung C1) zum Aufrechterhalten der optimalen Betriebsbedingungen in dem Pumpsystem erfüllt werden.
5 ist eine Kurve, die die Abhängigkeit des minimalen Drucks PMEMmin, der durch eine herkömmliche Membranpumpe erzielt werden kann, als Funktion der Drehzahl zeigt.
Wie dargestellt, ist der minimale Druck PMEMmin im Wesentlichen konstant bis etwa 1/5 der Nenndrehzahl.
Im Fall, dass die Gasströmung abnimmt, und um so mehr, wenn die Strömung aufhört, so dass es nicht mehr erforderlich ist, die Bedingung C2 zu erfüllen, kann die Drehzahl der Membranpumpe verringert werden, ohne dass diese Verringerung für die Arbeit der primären Molekularpumpe eine Beeinträchtigung darstellt.
Somit werden sowohl der Verschleiß der Membranen als auch das Geräusch aufgrund von Vibrationen der Membranpumpe verringert, während auch elektrische Leistung gespart wird, was in batteriegespeisten Systemen besonders vorteilhaft ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Drehzahl des die Membranen antreibenden Motors durch Modifizieren der Ankerspannung eines Gleichstrommotors eingestellt. Die Elektromotordrehzahl kann natürlich in einer beliebigen Art Elektromotor unter Verwendung eines zweckmäßigen Steuersystems verändert werden.
Ein Druckwandler erfasst den Ausgangsdruck der Molekularpumpstufen und legt die Motorspeisespannung so fest, dass ein solcher Druck auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, der niedriger ist als der maximale Abführungsdruck PMOLmax der Molekularstufen.
6 stellt schematisch das System zum Steuern der Drehzahl des Motors in den Membranstufen einer Vakuumpumpe dar.
Mit Bezug auf das Blockdiagramm von 6 gibt die Bezugsziffer 201 eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe an, 202 die Molekularpumpstufen, 203 die Membranpumpstufen, 207 den gemeinsamen Durchlass zwischen den zwei Pumpen, 211 die drehbare Welle der Molekularstufen, 213 den Motor der Molekularstufen, 215 die elektronische Steuereinheit für den Motor 213, 222 die Kurbelwelle der Membranpumpstufen, 230 den zweiten Pumpenmotor der Membranstufen, 231 die elektronische Steuereinheit für den zweiten Motor 230 und 245 die Auslassöffnung zum Auspumpen der Gase aus den Membranpumpstufen.
Die Pfeile A und B geben die Einlassrichtung und die Auslassrichtung des in die bzw. aus der Pumpe 201 strömenden Gases an.
6 zeigt ferner einen Druckwandler 270, der mit dem gemeinsamen Durchlass 207 verbunden ist, und einen Operationsverstärker 271, an den das Signal des Wandlers 270 und ein Signal (Eingang 273) entsprechend der Druckschwelle, die innerhalb des Kanals 207 aufrechterhalten werden soll, angelegt werden.
Wie in 7 gezeigt, ist im Druckbereich, der zwischen 10 Pa und 104 Pa liegt, die vom Motor der Molekularpumpstufen entnommene Leistung W zum Ausgangsdruck der Molekularstufen im Wesentlichen proportional.
Aufgrund dieser Proportionalität kann das Signal vom Druckwandler, der im dargestellten Beispiel von 6 verwendet wird, durch ein Signal ersetzt werden, das zu dem vom Motor der Molekularstufen entnommenen Strom proportional ist, wobei das Signal an der elektronischen Steuereinheit des Motors zur Verfügung steht.
8 stellt schematisch dieses vereinfachte Ausführungsbeispiel des Systems zum Regeln der Drehzahl des Membranstufenmotors in einer Vakuumpumpe dar, wobei das an den Verstärker 271 angelegte Signal direkt von der Steuereinheit 215 erhalten wird.

Claims

Vakuumpumpe (1; 101; 201) mit: einem Pumpengehäuse (5; 105); einer ersten Vielzahl von Pumpstufen (2; 102; 202) vom Molekulartyp, die aus Rotorscheiben (8a, 8b; 108a, 108b) gebildet sind, welche an einer drehbaren Welle (11; 211) befestigt sind und mit Statorringen (9a, 9b; 109a, 109b) zusammenwirken, die in einem ersten Teil (4a; 104a) des Pumpengehäuses (5; 105) untergebracht sind; einer zweiten Vielzahl von Pumpstufen (3; 103; 203) vom Membrantyp, die in einem zweiten Teil (4b; 104b) des Pumpengehäuses (5; 105) untergebracht sind; einem ersten Elektromotor (13; 213) zum Antreiben der drehbaren Welle (11; 211) der Molekularstufen; einem zweiten Elektromotor (30; 130; 230) zum Antreiben der Membranen (40; 140) der Membranstufen; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseteil (4a; 104a) und der zweite Gehäuseteil (4b; 104b) mit mindestens einem gemeinsamen Durchgang (7; 107; 207) darin für die Strömung des Gases, das durch die Molekularpumpstufen (2; 102; 202) abgeführt wird und von den Membranpumpstufen (3; 103; 203) abgesaugt wird, versehen sind.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Durchgang (7; 107; 207) bezüglich des Pumpenkörpers im Wesentlichen axial gerichtet ist und vollständig innerhalb der Wand (28; 128) des Pumpengehäuses (5; 105) untergebracht ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Wesentlichen zylindrischer Raum (20) in dem zweiten Gehäuseteil (4b; 104b) zum Unterbringen der Membranpumpstufen (3; 103; 203) vorgesehen ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseteil (4a; 104a) und der zweite Gehäuseteil (4b; 104b) als zwei separate Teile ausgebildet sind, die durch eine Vielzahl von Befestigungsmitteln (28) miteinander verbunden sind.
Vakuumpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gehäuseteil (4b; 104b), der die Membranpumpstufen (3; 103; 203) unterbringt, einen offenen Abschnitt aufweist, der im Wesentlichen wie ein Hufeisen geformt ist und dazu ausgelegt ist, den Austausch der Membranen (40; 140), die in den Membranpumpstufen (3; 103; 203) enthalten sind, leichter zu machen.
Vakuumpumpe nach Anspruch 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl (3; 103; 203) von Pumpmembranstufen aus elastischen Membranen (40; 140) gebildet ist, die radial in so vielen Pumpkammern (41a, 41b, 41c; 141a, 141b) angeordnet sind, und dass jede Membran (40; 140) durch eine entsprechende Verbindungsstange (23; 123) betätigt wird, die mit einer Kurbelwelle (22; 122; 222) drehbar verbunden ist, die durch den zweiten Elektromotor (30; 130; 230) angetrieben wird.
Vakuumpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (20) ferner mindestens ein Gebläse (29a, 29b) zum Kühlen der Membranpumpstufen (3; 103; 203) aufnimmt.
Vakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein Gebläse (29a, 29b) mit der Kurbelwelle (22; 122; 222) gekoppelt ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gehäuseteil (4b; 104b) im Wesentlichen der Basis (150) der Vakuumpumpe entspricht, welche den ersten Motor und die Lager, die die Welle der Molekularpumpstufen (2; 102; 202) abstützen, aufnimmt.
Vakuumpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Membranpumpstufen (3; 103; 203) mindestens ein Paar von im Wesentlichen koplanaren elastischen Membranen (40; 140) umfasst, die in so vielen Pumpkammern (41a, 41b, 41c; 141a, 141b, 141c) angeordnet sind, und dass jede Membran (40; 140) durch eine entsprechende Verbindungsstange (23; 123) betätigt wird, die mit einer Kurbelwelle (22; 122; 222) drehbar gekoppelt ist, die vom zweiten Elektromotor (30; 130) angetrieben wird.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammern (41a, 41b, 41c; 141a, 141b) der Membranstufen durch Gasdurchlasskanäle (44a, 44b; 144) in Reihe miteinander verbunden sind und dass die erste der Pumpkammern in der Richtung der Gasströmung eine Öffnung (46a; 146a) für den Einlass des Gases vom gemeinsamen Durchlass (7; 107) aufweist und die letzte der Kammern eine Auslaßöffnung (46c; 146b) zum Auspumpen des Gases auf Atmosphärendruck aufweist.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Membranpumpstufen (3; 103; 203) drei Membranpumpstufen umfasst, die in Reihe miteinander verbunden sind.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Membranpumpstufen (3; 103; 203) zwei Membranpumpstufen umfasst, die in Reihe miteinander verbunden sind.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raum (16; 116) in dem Pumpenende (1; 101; 201) vorgesehen ist, der bezüglich des Saugeinlasses (10; 110; 210) entgegengesetzt liegt, wobei ein solcher Raum den zweiten Motor der Membranpumpstufen und die elektronische Steuereinheit (15; 31; 115, 131; 215, 231) für den ersten Motor (13; 213) und den zweiten Motor (30; 130; 230) aufnimmt.
Vakuumpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachsen des ersten Motors (13; 213) und des zweiten Motors (30; 130; 230) im Wesentlichen koaxial sind.
Vakuumpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (16; 116) im Pumpenende (1; 101; 201), der bezüglich des Saugeinlasses (10; 110; 210) entgegengesetzt liegt, im Wesentlichen um die Basis (150) festgelegt ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zum Verringern der Rotationsgeschwindigkeit des zweiten Motors (30; 130; 230) der Membranpumpstufen (3; 103; 203), wenn der Auslaßdruck der Molekularpumpstufen (2; 102; 202) niedriger ist als eine vorbestimmte Schwelle, vorgesehen ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verringerungsmittel ein erstes Signal, das zum Druck im gemeinsamen Kanal (7; 107; 207) proportional ist, ein zweites Signal, das zu einer vorbestimmten Druckschwelle proportional ist, die niedriger ist als der maximale Auslaßdruck PMOLmax der Molekularstufen, und ein Mittel (271) zum Vergleichen des ersten Signals mit dem zweiten Signal, um ein drittes Signal zum Steuern der Rotationsgeschwindigkeit des zweiten Motors (30; 130; 230) zu erzeugen, umfasst.
Vakuumpumpe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsmittel einen Operationsverstärker (271) umfasst und dass das dritte Signal an die zweite elektronische Steuereinheit (31; 131; 231) für den zweiten Elektromotor (30; 130; 230) angelegt wird.
Vakuumpumpe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal von einem Druckwandler (270) erhalten wird, der in Übereinstimmung mit dem gemeinsamen Kanal (7; 107; 207) angeordnet ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal einem Signal entspricht, das zur Leistung proportional ist, die vom Motor (13; 213) der Molekularpumpstufen (2; 102) entnommen wird, wobei das Signal von der elektronischen Steuereinheit (15; 115; 215) für den ersten Elektromotor (13; 213) verfügbar ist.