EP0603694A1 - Vacuum system - Google Patents

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EP0603694A1
EP0603694A1 EP93120036A EP93120036A EP0603694A1 EP 0603694 A1 EP0603694 A1 EP 0603694A1 EP 93120036 A EP93120036 A EP 93120036A EP 93120036 A EP93120036 A EP 93120036A EP 0603694 A1 EP0603694 A1 EP 0603694A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pump
stage
vacuum
vacuum pump
pump system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP93120036A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Armin Conrad
Otto Dr. Gangschow
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pfeiffer Vacuum GmbH
Original Assignee
Balzers Pfeiffer GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE4331589A external-priority patent/DE4331589C2/en
Application filed by Balzers Pfeiffer GmbH filed Critical Balzers Pfeiffer GmbH
Publication of EP0603694A1 publication Critical patent/EP0603694A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/046—Combinations of two or more different types of pumps

Definitions

  • the invention relates to a vacuum pump system according to the preamble of the first claim.
  • the substances to be examined which are gaseous or in the form of liquids, must be brought into a gaseous state specific to the analyzer. This is usually done in a system of interconnected vacuum chambers. In these, the substance, which is either already admitted in the gaseous state or is brought into the gaseous state as a liquid by appropriate pressure or by another method, is reduced in various stages to the working pressure of the analysis device.
  • the system of vacuum chambers consists of several intermediate stages, which are separated from each other by panels. Different pressures prevail in the individual chambers - specified by the analysis method.
  • the vacuum chambers are each individually equipped with vacuum pumps or pump systems, which provide the required pressure and pumping speed.
  • pumps with different modes of operation and with different drive types are necessary.
  • Pump combinations are required in low pressure ranges (e.g. turbomolecular pumps with backing pumps).
  • Such systems are very complex. They take up a lot of space and entail high costs.
  • the object of the invention is to present an effectively working vacuum pump system for gas analysis systems which is less complex, causes lower costs and requires less space.
  • turbomolecular pumps The working pressure of turbomolecular pumps is limited to higher pressures because they are only fully effective in the molecular flow area. Therefore, they only work in combination with backing pumps. These are usually two-stage rotary vane pumps. In recent years it has been possible to expand the range of work of turbomolecular pumps to higher pressures by, for example, following the turbomolecular pump attaches a molecular pump like a Holweck pump. This makes it possible to reduce the effort for generating the forevacuum according to the pump size and final pressure. In particular, there is the possibility of using oil-sealed backing pumps with dry pumps, e.g. Diaphragm pumps to replace. These have proven themselves particularly where an oil-free vacuum is required.
  • the suction connections are connected to connecting flanges via a pipe system.
  • they can be arranged, for example, in one plane with the high vacuum flange.
  • a right-angled arrangement on the top and side surfaces of a cuboid pump housing, for example, is also possible.
  • the pressures between the individual pump stages and their compression ratios are calculated using the gas loads and transition conductance values between the chambers using the following formalism. This results in the pump characteristics, which allow the pump to be designed according to methods known per se.
  • the diagram shown describes the typical application of a pump system according to the invention, a so-called split flow pump in an analysis device using the example of a multi-chamber arrangement.
  • the measuring gas is admitted here from atmospheric pressure via a capillary into the first chamber pumped by a backing pump 2.
  • the pump stages 3, 4 and 5 pump out the gas flows Q3, Q4 and Q5 resulting from the transition conductivities C23, C34 and C45.
  • This formalism provides instructions for the optimal design and dimensioning of the pump system in relation to the vacuum data.
  • the pressure ratio K34 which occurs in operation between the chambers 3 and 4, u.a. determined by the size K034.
  • This size can be influenced by design measures.
  • K034 In order to make the pressure ratio K34 large, K034 must also be as large as possible. This is achieved by designing the channel depth of the Holweck stage at the level of the corresponding suction connection in accordance with the teaching of claim 4 in such a way that the backflow against the pump direction is greatly reduced. For this purpose, the channel depth is reduced at the point of the suction connection.
  • the Holweck stage since the Holweck stage must have a sufficiently high pumping speed on its inlet side in order to be able to take up the amount of gas delivered by the last pump stage of the turbomolecular pump, a correspondingly large channel depth must be present at this point. It follows from this that the channel depth increases continuously or in stages from the point of the suction connection counter to the pump direction up to the inlet side. By varying the channel depth, pressure levels at other points in the pump system can be controlled.
  • the Holweck stage must also absorb gas quantities.
  • the channel depth must be increased again from this point in the pumping direction.
  • Diaphragm pumps have the disadvantage, however, that their service life is limited by the constant elastic deformation of the membranes sealing the pumping chamber.
  • the pump stage at the output of which the diaphragm pump is connected, as expressed in claim 9, must have a sufficiently high pressure ratio.
  • the control of the interval operation ie the switching on and off of the diaphragm pump, has to be done depending on the backing pressure.
  • a measure of the backing pressure is the current or power consumption of the turbomolecular pump within certain limits. This results in an elegant control method, since these variables are easily accessible via the drive electronics.
  • the diaphragm pump is mentioned as an example for a pump stage which emits against the atmosphere.
  • the invention also relates to any type of dry backing pump.
  • absorption and / or condensation means are provided between the pump stages and the stages of the gas analysis system.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the pump system in connection with a gas inlet system.
  • Fig. 2 shows the example of a practical embodiment of the first pump unit 4.
  • Fig. 3 shows a section of Fig. 2 at the point at which the suction nozzle opens into the Holweck pump.
  • a gas inlet system for a gas analyzer 2 with a gas inlet 3 consisting of several chambers 1 is evacuated by a vacuum pump system.
  • the vacuum pump system consists of a first pump unit 4.
  • This pump unit is composed of a multi-stage turbomolecular pump 5 and a molecular pump 6, for example one of the Holweck type.
  • the individual stages of this pump unit are connected to one another insofar as they are located in a common housing and the rotors are mounted on a common shaft. This makes it possible to operate this entire first pump unit with a common motor which is driven by drive electronics 7.
  • a dry vacuum pump 8 which emits against the atmosphere
  • a control unit 12 This control unit is integrated in the drive electronics 7 for the first pump unit 4.
  • Suction connections 9 are provided between the individual stages of the pump unit 4 and between the first pump system and the pump 8 emitting against the atmosphere.
  • the inlet pressure level at point 10 and the outlet pressure level at point 11 are defined.
  • a sorption or condensation device is designated, which is located between a pump stage and a stage of the gas analysis system.
  • connection flanges 15, 16, 17, which are arranged in the same plane as the high vacuum flange 14.
  • ring channels 18 are provided, which provide an open connection between the Make suction connections and the pump room.
  • the section shows the point at which one of the suction connections 9 opens into the channel 19 of the Holweck pump.
  • the rotating part is designated 20.
  • the direction of pumping is indicated by arrows.
  • the depth of the latter is reduced in the opposite pumping direction, in order then to become larger again towards the inlet side 21.
  • the channel depth from the suction connection in the pumping direction is greater than in the opposite direction.

Abstract

The invention describes a vacuum pump system for multi-stage gas inlet systems. The pump system consists of a turbomolecular pump (5) and one or more downstream pump stages (6) whose rotors are located on a shaft together with the rotor of the turbomolecular pump. A further dry pump (8), which ejects against atmospheric pressure, is operated in intervals. Suction connections (9) are located between the pump stages. The interval operation of the pump which ejects against the atmosphere is controlled as a function of the current or power of the drive motor of the first pump unit (4). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuum-Pumpsystem nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.The invention relates to a vacuum pump system according to the preamble of the first claim.

Zur Gasanalyse müssen die zu untersuchenden Substanzen, welche gasförmig oder in Form von Flüssigkeiten vorliegen, in einen für das Analysegerät spezifischen, gasförmigen Zustand gebracht werden. Dies geschieht in der Regel in einem System von miteinander verbundenen Vakuumkammern. In diesen wird die Substanz, welche entweder schon in gasförmigem Zustand eingelassen wird oder als Flüssigkeit durch entsprechenden Druck oder mit anderem Verfahren in den gasförmigen Zustand gebracht wird, in verschiedenen Stufen auf den Arbeitsdruck des Analysegerätes reduziert. Das System von Vakuumkammern besteht aus mehreren Zwischenstufen, die durch Blenden voneinander getrennt sind. In den einzelnen Kammern herrschen unterschiedliche - durch das Analyseverfahren vorgegebene - Drücke.For gas analysis, the substances to be examined, which are gaseous or in the form of liquids, must be brought into a gaseous state specific to the analyzer. This is usually done in a system of interconnected vacuum chambers. In these, the substance, which is either already admitted in the gaseous state or is brought into the gaseous state as a liquid by appropriate pressure or by another method, is reduced in various stages to the working pressure of the analysis device. The system of vacuum chambers consists of several intermediate stages, which are separated from each other by panels. Different pressures prevail in the individual chambers - specified by the analysis method.

Bei herkömmlichen Systemen werden die Vakuumkammern jeweils einzeln mit Vakuumpumpen oder Pumpsystemen versehen, welche den erforderlichen Druck und das Saugvermögen bereitstellen. In der Regel sind dazu Pumpen verschiedener Wirkungsweise und mit verschiedener Antriebsart notwendig. In niederen Druckbereichen werden Pumpkombinationen benötigt (z.B. Turbomolekularpumpen mit Vorpumpen). Solche Anlagen sind sehr aufwendig. Sie haben einen großen Platzbedarf und ziehen hohe Kosten nach sich.In conventional systems, the vacuum chambers are each individually equipped with vacuum pumps or pump systems, which provide the required pressure and pumping speed. As a rule, pumps with different modes of operation and with different drive types are necessary. Pump combinations are required in low pressure ranges (e.g. turbomolecular pumps with backing pumps). Such systems are very complex. They take up a lot of space and entail high costs.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein effektiv arbeitendes Vakuumpumpsystem für Gasanalysesysteme vorzustellen, welches weniger aufwendig ist, geringere Kosten verursacht und weniger Platzbedarf erfordert.The object of the invention is to present an effectively working vacuum pump system for gas analysis systems which is less complex, causes lower costs and requires less space.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst. Die Ansprüche 2 - 12 stellen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.The object is achieved by the characterizing features of the first claim. Claims 2-12 represent further advantageous refinements of the invention.

Der Arbeitsdruck von Turbomolekularpumpen ist nach höheren Drücken hin begrenzt, da sie nur im molekularen Strömungsgebiet voll wirksam sind. Daher arbeiten sie nur in Kombination mit Vorvakuumpumpen. Diese sind in der Regel zweistufige Drehschieberpumpen. In den letzten Jahren ist es gelungen, den Arbeitsbereich von Turbomolekularpumpen nach höheren Drücken hin zu erweitern, indem man im Anschluß an die Turbomolekularpumpe z.B. eine Molekularpumpe nach Art einer Holweck-Pumpe anbringt. Dadurch wird es möglich, den Aufwand zur Erzeugung des Vorvakuums nach Pumpengröße und Enddruck zu verringern. Insbesondere bietet sich die Möglichkeit, ölgedichtete Vorvakuumpumpen durch trockene Pumpen, z.B. Membranpumpen, zu ersetzen. Diese haben sich besonders dort bewährt, wo ein ölfreies Vakuum gefordert wird.The working pressure of turbomolecular pumps is limited to higher pressures because they are only fully effective in the molecular flow area. Therefore, they only work in combination with backing pumps. These are usually two-stage rotary vane pumps. In recent years it has been possible to expand the range of work of turbomolecular pumps to higher pressures by, for example, following the turbomolecular pump attaches a molecular pump like a Holweck pump. This makes it possible to reduce the effort for generating the forevacuum according to the pump size and final pressure. In particular, there is the possibility of using oil-sealed backing pumps with dry pumps, e.g. Diaphragm pumps to replace. These have proven themselves particularly where an oil-free vacuum is required.

Durch den Einsatz von kompakten Pumpsystemen, etwa nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches, ergeben sich neue Aufgabenstellungen. Das Problem der Dimensionierung von Druckverhältnissen und Saugvermögen, welche für die einzelnen Vakuumkammern erforderlich sind, konnte durch den Einsatz von separaten Pumpen für die jeweilige Vakuumkammer individuell gelöst werden. Durch den Einsatz eines Kompakt-Pumpsystems ist dies nicht mehr möglich. Hier muß durch exakte Dimensionierung und Anordnung der Sauganschlüsse erreicht werden, daß Rückwirkungen zwischen Eingang und Ausgang der einzelnen Pumpstufen soweit vermindert werden, daß die Funktion der einzelnen Stufen des Gaseinlaßsystems nicht beeinträchtigt wird. Dies wird durch die Dimensionierung entsprechend dem kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches gelöst.The use of compact pump systems, for example according to the preamble of the first claim, creates new tasks. The problem of dimensioning pressure ratios and pumping speeds, which are required for the individual vacuum chambers, could be solved individually by using separate pumps for the respective vacuum chamber. This is no longer possible by using a compact pump system. It must be achieved through exact dimensioning and arrangement of the suction connections that repercussions between the inlet and outlet of the individual pump stages are reduced to such an extent that the function of the individual stages of the gas inlet system is not impaired. This is solved by the dimensioning according to the characterizing part of the first claim.

Die Sauganschlüsse werden mit Anschlußflanschen über ein Leitungssystem verbunden. Um die Verbindungen zwischen den einzelnen Vakuumkammern und den Anschlußflanschen leicht herzustellen, können diese zum Beispiel in einer Ebene mit dem Hochvakuumflansch angeordnet werden. Auch eine rechtwinklige Anordnung an Oberseite und Seitenflächen eines beispielsweise quaderförmigen Pumpengehäuses ist möglich.The suction connections are connected to connecting flanges via a pipe system. In order to make the connections between the individual vacuum chambers and the connecting flanges easily, they can be arranged, for example, in one plane with the high vacuum flange. A right-angled arrangement on the top and side surfaces of a cuboid pump housing, for example, is also possible.

Der Vergleich verschiedener Molekularpumpstufen ergab, daß ene Holweckpumpe - besonders für hohe Gasdurchsätze - deutliche Vorteile gegenüber anderen Bauarten u.a. in Bezug auf die vakuumtechnischen Daten in Verbindung mit den geometrischen Abmessungen aufweist.The comparison of different molecular pump stages showed that a Holweck pump - especially for high gas throughputs - has clear advantages over other types, among others. in relation to the vacuum-technical data in connection with the geometric dimensions.

Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung und zur Dimensionierung und Positionierung der verschiedenen Bauteile insbesondere der Pumpstufen werden mit Hilfe des folgenden Formalismus die Drücke zwischen den einzelnen Pumpstufen und deren Kompressionsverhältnisse mittels der Gaslasten und Übergangsleitwerte zwischen den Kammern berechnet. Daraus ergeben sich die Pumpenkenndaten, die nach an sich bekannten Verfahren die Auslegung der Pumpe erlauben.

Figure imgb0001

Das gezeigte Schema beschreibt die typische Anwendung eines erfindungsgemäßen Pumpsystems, einer sogenannten Split Flow Pumpe in einem Analysegerät am Beispiel einer Mehrkammer-Anordnung. Das Meßgas wird hier von Atmosphärendruck über eine Kapillare in die von einer Vorpumpe 2 gepumpte erste Kammer eingelassen. Die Pumpstufen 3, 4 und 5 pumpen die sich aus den Übergangsleitwerten C₂₃, C₃₄ und C₄₅ ergebenden Gasströme Q₃, Q₄ und Q₅ ab.To further develop the invention and to dimension and position the various components, in particular the pump stages, the pressures between the individual pump stages and their compression ratios are calculated using the gas loads and transition conductance values between the chambers using the following formalism. This results in the pump characteristics, which allow the pump to be designed according to methods known per se.
Figure imgb0001
The diagram shown describes the typical application of a pump system according to the invention, a so-called split flow pump in an analysis device using the example of a multi-chamber arrangement. The measuring gas is admitted here from atmospheric pressure via a capillary into the first chamber pumped by a backing pump 2. The pump stages 3, 4 and 5 pump out the gas flows Q₃, Q₄ and Q₅ resulting from the transition conductivities C₂₃, C₃₄ and C₄₅.

Versteht man unter S2i-S5i die "inneren" Saugvermögen ohne Verluste, die sich nach bekannten Regeln berechnen lassen, unter Si die durch die Verlustleitwerte C₂-C₅ verminderten "äußeren" effektiven Saugvermögen und unter K₀₂₃, K₀₃₄ und K₀₄₅ die inneren Druckverhältnisse bei Nulldurchsatz über den Stufen 3, 4 und 5, so läßt sich gemäß der Matrixgleichung (1) der folgende pumpencharakteristische Zusammenhang zwischen den einströmenden Gasmengen Q₃ - Q₅ und den Drücken P₃ - P₅ in den Kammern angeben.

Figure imgb0002

Dabei spielt die Herkunft der Gasströme Qi keine Rolle. Bei molekularer Strömung läßt sich für jede Gasart in einem einströmenden Gemisch eine solche Gleichung aufstellen, da die einzelnen Komponenten nicht wechselwirken.If one under S 2i -S 5i means the "inner" pumping speed without losses, which can be calculated according to known rules, under S i the "external" effective pumping speed reduced by the loss conductance values C₂-C₅ and under K₀₂₃, K₀₃₄ and K₀₄₅ the internal pressure ratios at zero flow through stages 3, 4 and 5, the following pump characteristic relationship between the inflowing gas quantities Q₃ - Q₅ and the pressures P₃ - P₅ in the chambers can be specified according to the matrix equation (1).
Figure imgb0002
The origin of the gas flows Q i is irrelevant. In the case of molecular flow, such an equation can be drawn up for each type of gas in an inflowing mixture, since the individual components do not interact.

Betrachtet man nur den Fall, daß die Flüsse Qi (i > 1] alle aus Qi hervorgehen, wie im Schema dargestellt, dann nehmen in der Regel die Druckniveaus und abgepumpten Gasströme von Kammer zu Kammer stark ab (P₂>>P₃>>P₄>>P₅ und Q₁>>Q₂>>Q₃>>Q₄ >>Q₅). Es ergibt sich folgender einfache Zusammenhang:

Figure imgb0003

Die Kombination von Gl. (1) und (2) erlaubt die Berechnung der Druckverhältnisse K₂₃, K₃₄ und K₄₅ zwischen den Kammern bei gegebenen Leitwerten Ci, i+1 des zu pumpenden Systems. Zusammen mit den für die Funktion des Systems notwendigen Drücken pi und den daraus errechneten Saugvermögen ergeben sich die für den Entwurf der einzelnen Stufen der Pumpe notwendigen Vorgaben.

(4)   K₂₃ = S₃/C₂₃
Figure imgb0004
Figure imgb0005


Mit den Gleichungen (3), (4), (5) und (6) liegen nun alle Kammerdrücke P₂₋₅ fest.If you only consider the case where the flows Q i (i> 1] all result from Q i , as shown in the diagram, then the pressure levels and pumped-off gas flows generally decrease sharply from chamber to chamber (P₂ >> P₃ >> P₄ >> P₅ and Q₁ >> Q₂ >> Q₃ >> Q₄ >> Q₅), the following simple relationship results:
Figure imgb0003
The combination of Eq. (1) and (2) allows the calculation of the pressure ratios K₂₃, K₃₄ and K₄₅ between the chambers at given conductance values C i, i + 1 of the system to be pumped. Together with the pressures p i necessary for the function of the system and the pumping speed calculated from this, the requirements necessary for the design of the individual stages of the pump result.

(4) K₂₃ = S₃ / C₂₃
Figure imgb0004
Figure imgb0005


With the equations (3), (4), (5) and (6) all chamber pressures P₂₋₅ are now fixed.

Aus diesem Formalismus ergeben sich Anleitungen zur optimalen Gestaltung und Dimensionierung des Pumpsystems in Bezug auf die vakuumtechnischen Daten. Beispielsweise wird - wie aus Gleichung (5) ersichtlich - das Druckverhältnis K₃₄, welches sich in Betrieb zwischen den Kammern 3 und 4 einstellt, u.a. durch die Größe K₀₃₄ bestimmt. Diese Größe kann durch konstruktive Maßnahmen beeinflußt werden. Um das Druckverhältnis K₃₄ groß zu machen, muß auch K₀₃₄ möglichst groß sein. Dies wird erreicht, indem man entsprechend der Lehre des Anspruchs 4 die Kanaltiefe der Holweckstufe in Höhe des entsprechenden Sauganschlusses derart gestaltet, daß die Rückströmung entgegen der Pumprichtung stark vermindert wird. Dazu wird die Kanaltiefe an der Stelle des Sauganschlusses reduziert. Da die Holweckstufe aber an ihrer Eingangsseite ein ausreichend hohes Saugvermögen aufweisen muß, um die von der letzten Pumpstufe der Turbomolekularpumpe geförderte Gasmenge aufnehmen zu können, muß an dieser Stelle eine entsprechend große Kanaltiefe vorhanden sein. Daraus ergibt sich, daß sich die Kanaltiefe von der Stelle des Sauganschlusses entgegen der Pumprichtung bis zur Eingangsseite hin kontinuierlich oder stufenweise vergrößert. Durch Variation der Kanaltiefe können Druckniveaus an anderen Stellen des Pumpsystems gesteuert werden.This formalism provides instructions for the optimal design and dimensioning of the pump system in relation to the vacuum data. For example - as can be seen from equation (5) - the pressure ratio K₃₄, which occurs in operation between the chambers 3 and 4, u.a. determined by the size K₀₃₄. This size can be influenced by design measures. In order to make the pressure ratio K₃₄ large, K₀₃₄ must also be as large as possible. This is achieved by designing the channel depth of the Holweck stage at the level of the corresponding suction connection in accordance with the teaching of claim 4 in such a way that the backflow against the pump direction is greatly reduced. For this purpose, the channel depth is reduced at the point of the suction connection. However, since the Holweck stage must have a sufficiently high pumping speed on its inlet side in order to be able to take up the amount of gas delivered by the last pump stage of the turbomolecular pump, a correspondingly large channel depth must be present at this point. It follows from this that the channel depth increases continuously or in stages from the point of the suction connection counter to the pump direction up to the inlet side. By varying the channel depth, pressure levels at other points in the pump system can be controlled.

An der Stelle des Sauganschlusses muß die Holweckstufe zusätzlich Gasmengen aufnehmen. Um das Saugvermögen in Pumprichtung an die größere Gasmenge anzupassen, muß die Kanaltiefe von dieser Stlle an in Pumprichtung wieder vergrößert werden.At the point of the suction connection, the Holweck stage must also absorb gas quantities. In order to adapt the pumping speed in the pumping direction to the larger amount of gas, the channel depth must be increased again from this point in the pumping direction.

Die in den Ansprüchen 6 und 7 angeführten Maßnahmen dienen der Erhöhung der Leitwerte C₃ bis C₅ und damit einer Verbesserung der Saugvermögen S₂ bis S₅, was wiederum als Ergebnis des obigen Formalismus zu einer Erhöhung der Druckverhätnisse K₂₃, K₃₄ und K₄₅ führt.The measures set out in claims 6 and 7 serve to increase the conductance values C₃ to C₅ and thus to improve the suction capacity S₂ to S₅, which in turn leads to an increase in the pressure ratios K₂₃, K₃₄ and K₄₅ as a result of the above formalism.

Wie oben bereits erwähnt, ist es in bestimmten Anwendungen sinnvoll, die gegen Atmosphärendruck ausstoßende Pumpe als Membranpumpe auszubilden.As already mentioned above, it makes sense in certain applications to design the pump which emits against atmospheric pressure as a diaphragm pump.

Membranpumpen haben jedoch den Nachteil, daß ihre Lebensdauer durch die ständige elastische Verformung der den Schöpfraum abdichtenden Membranen begrenzt ist. Um jedoch die Vorteile der Membranpumpe auch bei Vakuumsystemen zu nutzen, deren Betriebsdauer über der Lebensdauer von Membranpumpen liegt, ist es sinnvoll, diese in Intervallen zu betreiben, wie in Anspruch 8 dargelegt.Diaphragm pumps have the disadvantage, however, that their service life is limited by the constant elastic deformation of the membranes sealing the pumping chamber. However, in order to utilize the advantages of the diaphragm pump in vacuum systems whose operating time is longer than the lifespan of diaphragm pumps, it makes sense to operate them at intervals, as set out in claim 8.

Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß Druckschwankungen, die durch den Intervallbetrieb auftreten, die Funktionsweise des Gesamtsystems nicht beeinträchtigen. Dazu muß die Pumpstufe, an deren Ausgang die Membranpumpe angeschlossen ist, wie in Anspruch 9 ausgedrückt, ein ausreichend hohes Druckverhältnis aufweisen.However, care must be taken to ensure that pressure fluctuations caused by interval operation do not impair the functioning of the overall system. For this purpose, the pump stage, at the output of which the diaphragm pump is connected, as expressed in claim 9, must have a sufficiently high pressure ratio.

Die Steuerung des Intervallbetriebes, d.h. das Ein- und Abschalten der Membranpumpe, muß in Abhängigkeit des Vorvakuumdruckes geschehen. Ein Maß für den Vorvakuumdruck ist in bestimmten Grenzen die Strom- bzw. Leistungsaufnahme der Turbomolekularpumpe. Dadurch ergibt sich eine elegante Methode zur Steuerung, da über die Antriebselektronik diese Größen leicht zugänglich sind.The control of the interval operation, ie the switching on and off of the diaphragm pump, has to be done depending on the backing pressure. A measure of the backing pressure is the current or power consumption of the turbomolecular pump within certain limits. This results in an elegant control method, since these variables are easily accessible via the drive electronics.

Für eine Pumpstufe, welche gegen Atmosphäre ausstößt, ist die Membranpumpe als Beispiel genannt. Die Erfindung bezieht sich jedoch auch auf jede Art einer trokkenen Vorpumpe.The diaphragm pump is mentioned as an example for a pump stage which emits against the atmosphere. However, the invention also relates to any type of dry backing pump.

Zur Vermeidung von kondensierten Anteilen im Pumpsystem sind Absorptions- und/oder Kondensationsmittel zwischen den Pumpstufen und den Stufen des Gasanalysesystems vorgesehen.In order to avoid condensed portions in the pump system, absorption and / or condensation means are provided between the pump stages and the stages of the gas analysis system.

An Hand der Abbildung soll die Erfindung am Beispiel eines 4-stufigen Gaseinlaßsystems näher erläutert werden.On the basis of the figure, the invention will be explained in more detail using the example of a 4-stage gas inlet system.

Die Abb. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Pumpsystems in Verbindung mit einem Gaseinlaßsystem.Fig. 1 shows a schematic representation of the pump system in connection with a gas inlet system.

Die Abb. 2 zeigt das Beispiel einer praktischen Ausführungsform der ersten Pumpeinheit 4.Fig. 2 shows the example of a practical embodiment of the first pump unit 4.

Die Abb. 3 zeigt einen Ausschnitt aus Abb. 2 an der Stelle, an welcher der Saugstutzen in die Holweckpumpe mündet.Fig. 3 shows a section of Fig. 2 at the point at which the suction nozzle opens into the Holweck pump.

Ein aus mehreren Kammern 1 bestehendes Gaseinlaßsystem für ein Gasanalysegerät 2 mit einem Gaseinlaß 3 wird durch ein Vakuumpumpsystem evakuiert. Das Vakuumpumpsystem besteht in diesem Beispiel aus einer ersten Pumpeinheit 4. Diese Pumpeinheit setzt sich zusammen aus einer mehrstufigen Turbomolekularpumpe 5 und aus einer Molekularpumpe 6, z.B. einer solchen der Bauart nach Holweck. Die einzelnen Stufen dieser Pumpeinheit sind insofern miteinander verbunden, als sie sich in einem gemeinsamen Gehäuse befinden, und die Rotoren auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Dadurch ist es möglich, diese gesamte erste Pumpeinheit mit einem gemeinsamen Motor zu betreiben, welcher durch eine Antriebselektronik 7 angetrieben wird.A gas inlet system for a gas analyzer 2 with a gas inlet 3 consisting of several chambers 1 is evacuated by a vacuum pump system. In this example, the vacuum pump system consists of a first pump unit 4. This pump unit is composed of a multi-stage turbomolecular pump 5 and a molecular pump 6, for example one of the Holweck type. The individual stages of this pump unit are connected to one another insofar as they are located in a common housing and the rotors are mounted on a common shaft. This makes it possible to operate this entire first pump unit with a common motor which is driven by drive electronics 7.

Weiterhin ist eine gegen Atmosphäre ausstoßende, trockene Vakuumpumpe 8 mit Steuereinheit 12 vorhanden. Diese Steuereinheit ist in die Antriebselektronik 7 für die erste Pumpeinheit 4 integriert. Zwischen den einzelnen Stufen der Pumpeinheit 4 und zwischen dem ersten Pumpsysten und der gegen Atmosphäre ausstoßenden Pumpe 8 sind Sauganschlüsse 9 angebracht. Am Beispiel der mittleren Stufe der ersten Pumpeinheit wird das Einlaßdruckniveau an der Stelle 10 und das Auslaßdruckniveau an der Stelle 11 definiert. Mit 13 ist eine Sorptions- oder Kondensationseinrichtung bezeichnet, welche sich zwischen einer Pumpstufe und einer Stufe des Gasanalysesystems befindet.There is also a dry vacuum pump 8, which emits against the atmosphere, with a control unit 12. This control unit is integrated in the drive electronics 7 for the first pump unit 4. Suction connections 9 are provided between the individual stages of the pump unit 4 and between the first pump system and the pump 8 emitting against the atmosphere. Using the example of the middle stage of the first pump unit, the inlet pressure level at point 10 and the outlet pressure level at point 11 are defined. With 13 a sorption or condensation device is designated, which is located between a pump stage and a stage of the gas analysis system.

In Abb. 2 ist die Pumpeinheit 4 als Kombination einer 2-stufigen Turbomolekularpumpe 5a, 5b und einer Holweckpumpe 6 dargestellt. Die Sauganschlüsse 9 sind mit Anschlußflanschen 15, 16, 17 verbunden, welche in der gleichen Ebene angeordnet sind wie der Hochvakuumflansch 14. Zur Erhöhung der Leitwerte und somit der Saugvermögen an den Stellen der Sauganschlüsse 9 sind Ringkanäle 18 vorgesehen, welche eine offene Verbindung zwischen den Sauganschlüssen und dem Pumpenraum herstellen.2 shows the pump unit 4 as a combination of a 2-stage turbomolecular pump 5a, 5b and a Holweck pump 6. The suction connections 9 are connected to connection flanges 15, 16, 17, which are arranged in the same plane as the high vacuum flange 14. To increase the conductance values and thus the pumping speed at the points of the suction connections 9, ring channels 18 are provided, which provide an open connection between the Make suction connections and the pump room.

In Abb. 3 ist ein Ausschnitt aus der nachgeschalteten Pumpstufe 6, welche als Holweckpumpe ausgebildet ist, dargestelt. Der Ausschnitt zeigt die Stelle, an welcher einer der Sauganschlüsse 9 in den Kanal 19 der Holweckpumpe mündet. Der rotierende Teil ist mit 20 bezeichnet. Die Pumprichtung ist mit Pfeilen angedeutet. An der Stelle, an der der Sauganschluß 9 in den Kanal 19 der Holweckpumpe mündet, ist dieser in entgegengesetzter Pumprichtung in seiner Tiefe reduziert, um dann zur Eingangsseite 21 hin wieder größer zu werden. Vom Sauganschluß in Pumprichtung ist die Kanaltiefe größer als in entgegengesetzter Richtung.In Fig. 3 a section of the downstream pump stage 6, which is designed as a Holweck pump, is shown. The section shows the point at which one of the suction connections 9 opens into the channel 19 of the Holweck pump. The rotating part is designated 20. The direction of pumping is indicated by arrows. At the point at which the suction connection 9 opens into the channel 19 of the Holweck pump, the depth of the latter is reduced in the opposite pumping direction, in order then to become larger again towards the inlet side 21. The channel depth from the suction connection in the pumping direction is greater than in the opposite direction.

Claims (14)

Vakuumpumpsystem für ein mehrstufiges Gaseinlaßsystem (1), bestehend aus einer mehrstufigen Turbomolekularpumpe (5) mit Rotor- und Statorscheiben mit einer oder mehreren in Richtung Vorvakuumseite nachgeschalteten Pumpstufen (6), deren Rotoren sich auf der gleichen Welle befinden wie der Rotor der Turbomolekularpumpe und so eine erste Pumpeinheit bilden und mit einer weiteren gegen Atmosphärendruck ausstoßenden, trockenen Pumpstufe (8), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Stufen Sauganschlüsse (9) vorgesehen sind, die in Bezug auf die Druckverhältnisse und Saugvermögen der einzelnen Pumpstufen so dimensioniert und angeordnet sind, daß Rückströmungen von der Stelle (11) des Auslaßdruckniveaus zu der Stelle (10) des Einlaßdruckniveaus innerhlab einer Pumpstufe klein sind gegenüber dem Gasstrom zwischen denjenigen Vakuumkammern, welche mit der Stelle des Auslaßniveaus und der des Einlaßniveaus verbunden sind.Vacuum pump system for a multi-stage gas inlet system (1), consisting of a multi-stage turbomolecular pump (5) with rotor and stator disks with one or more pump stages (6) connected downstream in the direction of the fore-vacuum side, the rotors of which are on the same shaft as the rotor of the turbomolecular pump and so on form a first pump unit and with a further dry pump stage (8) which ejects against atmospheric pressure, characterized in that suction connections (9) are provided between the individual stages, which are dimensioned and arranged in relation to the pressure conditions and pumping speed of the individual pump stages, that backflows from location (11) of the outlet pressure level to location (10) of the inlet pressure level within a pump stage are small compared to the gas flow between those vacuum chambers which are connected to the location of the outlet level and that of the inlet level. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganschlüsse (9) mit Anschlußflanschen (15, 16, 17) verbunden sind, welche in der gleichen Ebene angeordnet sind wie der Hochvakuumanschluß (14).Vacuum pump system according to claim 1, characterized in that the suction connections (9) are connected to connection flanges (15, 16, 17) which are arranged in the same plane as the high vacuum connection (14). Vakuumpumpsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganschlüsse (9) mit Anschlußflanschen (15, 16, 17) verbunden sind, welche rechtwinklig zu dem Hochvakuumflansch (14) angeordnet sind.Vacuum pump system according to Claim 1, characterized in that the suction connections (9) are connected to connecting flanges (15, 16, 17) which are arranged at right angles to the high vacuum flange (14). Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgeschaltete Pumpstufe (6) eine Molekularpumpe nach der Art einer Holweckpumpe ist.Vacuum pump system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the downstream pump stage (6) is a molecular pump in the manner of a Holweck pump. Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgeschaltete Pumpstufe (6) eine Molekularpumpe nach der Art von Gaede ist.Vacuum pump system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the downstream pump stage (6) is a molecular pump of the Gaede type. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Holweckpumpstufe in Höhe des Sauganschlusses so ausgebildet ist, daß die Kanaltiefe (19) in Richtung zur Seite niedrigeren Druckes hin reduziert ist und sich dann zur Eingangsseite (21) der Pumpstufe hin wieder soweit vergrößert, daß die Gasmenge der vorhergehenden Stufe aufgenommen werden kann.Vacuum pump system according to Claim 4, characterized in that the profile of the Holweck pump stage at the level of the suction connection is designed so that the channel depth (19) is reduced in the direction of the lower pressure side and then increases again to the inlet side (21) of the pump stage that the amount of gas from the previous stage can be absorbed. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanaltiefe von der Stelle des Sauganschlusses an in Pumprichtung größer ist als in entgegengesetzter Richtung.Vacuum pump system according to claim 6, characterized in that the channel depth from the point of the suction connection in the pumping direction is greater than in the opposite direction. Vakuumpumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle des Sauganschlusses, welcher zwischen den beiden Stufen (5a und 5b) der Turbomolekularpumpe sich befindet, feststehende Leitschaufeln angebracht sind, welche so gestaltet sind, daß sie den Gasstrom in die Richtung der Pumpkanäle der Turbomolekularpumpe lenken.Vacuum pump system according to one of the preceding claims, characterized in that fixed guide vanes which are designed in such a way that they direct the gas flow in the direction of the Steer the pump channels of the turbomolecular pump. Vakuumpumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse an einer oder mehreren Stellen in Höhe der Sauganschlüsse von einem Ringkanal (18) umgeben ist, welcher eine offene Verbindung zwischen dem Pumpenraum und dem Sauganschluß herstellt.Vacuum pump system according to one of the preceding claims, characterized in that the housing is surrounded at one or more points at the level of the suction connections by an annular channel (18) which creates an open connection between the pump chamber and the suction connection. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegen Atmosphärendruck ausstoßende Pumpstufe (8) in Intervallen betrieben wird.Vacuum pump system according to Claim 1, characterized in that the pump stage (8) which ejects against atmospheric pressure is operated at intervals. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstufe, welche an die gegen Atmosphärendruck ausstoßende Pumpstufe angrenzt, so gewählt wird, daß die Druckschwankungen, welche in Folge des Intervallbetriebes der letzteren auftreten, unter einer für das Gasanalysesystem spezifischen Grenze bleiben.Vacuum pump system according to Claim 10, characterized in that the pump stage which is adjacent to the pump stage which emits against atmospheric pressure is selected so that the pressure fluctuations which occur as a result of the interval operation of the latter remain below a specific limit for the gas analysis system. Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gegen Atmosphärendruck ausstoßende Pumpe bei Überschreiten eines vorgewählten Wertes des Stromes oder der Leistung des Antriebsmotors der ersten Pumpeinheit (4) eingeschaltet und bei Unterschreiten eines zweiten vorgewählten Wertes abgeschaltet wird.Vacuum pump system according to one of Claims 10 or 11, characterized in that the pump emitting against atmospheric pressure is switched on when a preselected value of the current or the power of the drive motor of the first pump unit (4) is exceeded and is switched off when the value falls below a second preselected value. Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (12) für den Intervallbetrieb Bestandteil der Antriebselektronik (7) der ersten Pumpeinheit (4) ist.Vacuum pump system according to one of claims 10, 11 or 12, characterized in that the control device (12) for the interval operation is part of the drive electronics (7) of the first pump unit (4). Vakuumpumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu pumpenden Gasströme durch Sorptions- und/oder Kondensationseinrichtungen (13), welche an einer oder mehreren Stellen zwischen Pumpstufen und Stufen des Gasanalysesystems sich befinden, von kondensierten Anteilen befreit werden.Vacuum pump system according to one of the preceding claims, characterized in that the gas flows to be pumped are freed from condensed portions by sorption and / or condensation devices (13) which are located at one or more points between pump stages and stages of the gas analysis system.
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