EP0922163B1 - Kolbenvakuumpumpe mit eintritt und austritt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Eine Kolbenvakuumpumpe dieser Art ist aus der US-A-48 54 825 bekannt. Bei dieser Pumpe nach dem Stand der Technik sind eintrittsseitig zwei zylindrische Kompressionskammern von zwei der vier gestuften Zylinder parallel geschaltet und bilden eine erste Pumpstufe. Die zylindrische Kompressionskammer eines dritten Zylinders bildet die zweite Stufe der Pumpe. Die ringförmigen Kompressionskammern der drei Zylinder, deren zylindrische Kompressionskammern die erste und die zweite Pumpstufe bilden, sind nicht mit Einlässen ausgerüstet; sie haben keine Pumpfunktion. Die zylindrische Kompressionskammer des vierten Zylinders bildet eine dritte Stufe der Vakuumpumpe. Ihr Auslaß steht unmittelbar mit dem Austritt der Pumpe in Verbindung. Die ringförmige Kompressionskammer dieses Stufen-Zylinders hat zwar ebenfalls Pumpfunktion; sie bildet jedoch zusammen mit ihrem Einlaß und ihrem Auslaß lediglich einen Bypass zu den aus der dritten Pumpstufe dem Austritt unmittelbar zuströmenden Gase, d.h., daß nur ein Teil der aus dem Auslaß der dritten Pumpstufe austretenden Gase über diese ringförmige Kompressionskammer zum Austritt der Pumpe gelangt.

Eine echte vierte Pumpstufe bildet diese ringförmige Kompressionskammer nicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 mit verbessertem Saugvermögen und mit verbesserter Kompression zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Dadurch, daß eintrittsseitig vier Kompressionskammern parallel geschaltet sind, ergibt sich ein besonders hohes Ansaugvermögen. Außerdem wird durch insgesamt vier Pumpstufen mit insgesamt acht Kompressionskammern eine hohe Kompression erreicht. Mit Pumpen der erfindungsgemäßen Art lassen sich Enddrücke von 10^-4 mbar bei relativ hohem Saugvermögen erzeugen, so daß sie bei Applikationen, bei denen Arbeitskammern immer wieder relativ schnell auf niedrige Drücke evakuiert werden müssen, wie zum Beispiel die Schleusen von Halbleiter-Beschichtungsanlagen, besonders geeignet sind. Bei der Herstellung der Zylinder-Kolben-Systeme müssen besonders hohe Toleranzen nicht eingehalten werden. Der Grund dafür liegt in der besonderen Zuordnung der Kompressionskammern. Während des Betriebs der drei Zylinder-Kolben-Systeme, welche die ersten beiden Pumpstufen bilden, herrschen jeweils in den vom Kolben getrennten Kompressionskammern etwa gleiche Drücke, so daß an die Abdichtung zwischen Zylinder und Kolben keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen. Beim vierten Zylinder-Kolben-System treten zwar unterschiedliche Drücke in den beiden Kompressionskammern auf; da dieses Zylinder-Kolben-System jedoch austrittsseitig gelegen ist, sind die auftretenden Druckverhältnisse nicht mehr hoch.

Bei den erwähnten Applikationen muß die erfindungsgemäße Hochvakuumpumpe in der ersten Pumpphase relativ große Gasmengen fördern. Zur Vermeidung von Überdrücken in der Pumpe gibt es drei Möglichkeiten:

• Die Auslässe der vier Kompressionskammern, welche die erste Pumpstufe bilden, stehen über ein Rückschlagventil unmittelbar mit dem Austritt der Pumpe in Verbindung. In der ersten Pumpphase auftretende Überdrücke öffnen dieses Rückschlagventil und fördern die Gase unmittelbar zum Austritt der Pumpe.
• Der Antriebsmotor der Vakuumpumpe wird derart geregelt, daß er seine volle Drehzahl erst dann erreicht, wenn die Gefahr der Entstehung von Überdrücken in der Pumpe nicht mehr besteht.
• Dem Eintritt der Pumpe ist ein differenzdruckgesteuertes Ventil vorgelagert.

Die zuletzt genannte Alternative hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, weil Ventile dieser Art einfach und robust sind.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Es zeigen

• Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Kolbenvakuumpumpe nach der Erfindung und
• Figur 2 eines der eintrittsseitig gelegenen Zylinder-Kolben-Systeme mit einem differenzdruckgesteuerten Eintrittsventil.

Die in Figur 1 dargestellte Kolbenvakuumpumpe 1 umfaßt das Gehäuse 2, den Eintritt 3 und den Austritt 4. Innerhalb des Gehäuses befinden sich vier Zylinder-Kolben-Systeme 11, 21, 31 und 41, die im wesentlichen identisch ausgebildet sind. Sie sind derart paarweise einander gegenüberliegend - vorzugsweise in einer Ebene - angeordnet, daß ihre Kolben über eine gemeinsame Kurbelwelle 5 angetrieben werden können. Der Antriebsmotor ist mit 6 bezeichnet.

Das Zylinder-Kolben-System 11 weist den Zylinder 12 und den Kolben 13 auf. Beide sind gestuft, so daß sie in an sich bekannter Weise eine zylindrische Kompressionskammer 14 und eine ringförmige Kompressionskammer 15 bilden. Die zylindrische Kompressionskammer 14 weist den Einlaß 16 und den Auslaß 17, die ringförmige Kompressionskammer 15 den Einlaß 18 und den Auslaß 19 auf. Die Einlässe 16 und 18 sind als Ringnuten in der Wandung des Zylinders 12 ausgebildet, so daß die Bewegung des Kolbens 13 das Öffnen und Schließen der Einlässe bewirkt. Die Auslässe 17 und 19 sind mit im einzelnen nicht dargestellten Ventilen ausgerüstet.

Die Zylinder-Kolben-System 21, 31 und 41 sind entsprechend ausgebildet und mit korrespondierenden Bezugszeichen versehen.

Entsprechend dem Erfindungsvorschlag ist der Eintritt 3 über die Leitung 51 - z.B. mit dem Ventil 52 - mit den Einlässen 16, 18, 26, 28 der Kompressionskammern 14, 15, 24 und 25, welche Bestandteile der Kolben-Zylinder-Systeme 11 und 21 sind, verbunden. Die genannten, parallel geschalteten Kompressionskammern bilden eine erste Pumpstufe der Kolbenvakuumpumpe 1, angedeutet durch die strichpunktierte Linie 54. Die sich an die Auslässe 17, 19, 27 und 29 der Kompressionskammern der ersten Stufe anschließenden Leitungen münden sämtlich in die Leitung 55, die mit den Einlässen 36, 38 der Kompressionskammern 34, 35 verbunden sind. Diese sind Bestandteile des Kolben-Zylinder-Systems 31. Die ebenfalls parallel geschalteten Kompressionskammern 34, 35 bilden die zweite Pumpstufe der Kolbenvakuumpumpe 1, angedeutet durch die strichpunktierte Linie 57. Die sich an die Auslässe 37, 39 der Kompressionskammern 34, 35 anschließenden Leitungen münden in die Leitung 59, die mit dem Einlaß 46 der zylindrischen Kompressionskammer 44 verbunden ist, welche Bestandteil des Zylinder-Kolben-Systems 41 ist. Diese Kompressionskammer 44 bildet die dritte Pumpstufe der Kolbenvakuumpumpe 1 (siehe strichpunktierte Linie 61). Der Auslaß 47 der Kompressionskammer 44 steht über die Leitung 62 mit dem Einlaß 48 der ringförmigen Kompressionskammer 45 in Verbindung, welche ebenfalls Bestandteil des Kolben-Zylinder-Systems 41 ist. Der Auslaß 49 der ringförmigen Kompressionskammer 45 steht mit dem Austritt 4 der Kolbenvakuumpumpe 1 in Verbindung. Die Kompressionskammer 45 bildet die vierte Pumpstufe der Kolbenvakuumpumpe 1 (gestrichelte Linie 63).

Angedeutet ist in Figur 1 noch eine Düse 64, über die der Kompressionsraum 45 mit dem Inneren des Gehäuses 2 der Pumpe 1 in Verbindung steht. Die Größe der Düse 64 ist so gewählt, daß sich im Gehäuse 2 ein Unterdruck von wenigen hundert Milibar einstellt. Die Anforderungen an die Dichtqualität des Spaltes zwischen den Kolben und den Zylindern in ihren dem Gehäuseinnern benachbarten Bereichen können dadurch weiter reduziert werden.

Figur 2 zeigt nochmals das Kolben-Zylinder-System 11 mit seinen Kompressionskammern 14 und 15. Die Einlässe 16 und 18 dieser Kammern stehen (zusammen mit den Einlässen 26, 28 des zweiten Kolben-Zylinder-Systems 21) über das Ventil 52 mit dem Eintritt 3 der Vakuumpumpe in Verbindung.

Das Ventil 52 erfüllt die Funktion, die in einer ersten Pumpphase anfallenden, relativ großen Gasmengen in solchem Umfang zurückzuhalten, daß Überdrücke in der Pumpe 1 nicht auftreten. Dazu weist das Ventil 52 eine Kammer 65 mit einer Einlaßöffnung 66 und einer Auslaßöffnung 67 auf. Auslaßseitig ist die Kammer kegelförmig gestaltet. In der Kammer 65 befindet sich ein Verschlußkörper 68 mit einer zentralen Bohrung 69. Mit Hilfe von zwei axial angeordneten Federn, vorzugsweise Druckfedern 70 und 71 ist der austrittsseitig kugelförmig gestaltete Verschlußkörper 68 verdrehsicher geführt. Ohne Gasströmung halten die Druckfedern den Verschlußkörper in der Schwebe.

Ist der Druck im zu evakuierenden Rezipienten, angeschlossen an den Eintritt 3, hoch, z.B. Atmosphärendruck, liegt der Verschlußkörper 68 dem kegelförmigen Abschnitt der Kammer 65 an (obere Darstellung des Ventils 52). Nur durch die Bohrung 69 hindurchtretendes Gas gelangt in die Pumpe 1. Die Größe und Länge der Bohrung 69 sind so gewählt, daß Überdrücke in der Pumpe 1 nicht auftreten.

Nimmt der Druck eintrittsseitig ab, hebt sich der Verschlußkörper 68 von seinem Sitz ab, so daß er von Gasen umströmt werden kann. Der Strömungsquerschnitt im Bereich des Ventils 52 nimmt drastisch zu, so daß das Saugvermögen der Pumpe 1 durch das Ventil 52 nicht mehr begrenzt ist. Mit Hilfe der der Druckfedern 70 und 71 ist der Differenzdruck, bei dem das Abheben des Verschlußkörpers 68 von seinem Sitz erfolgt, einstellbar.

Claims (6)

1. Kolbenvakuumpumpe (1) mit einem Eintritt (3), mit einem Austritt (4), mit vier gestuften Zylindern (12, 22, 32, 42), die zusammen mit jeweils einem gestuften Kolben (13, 23, 33, 43) jeweils eine zylindrische Kompressionskammer (14, 24, 34, 44) und eine ringförmige Kompressionskammer ((15, 25, 35, 45) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (1) während ihres Normalbetriebs vier hintereinander geschaltete Pumpstufen (54, 57, 61, 63) aufweist und daß vier parallel geschaltete Kompressionskammern (14, 15, 24, 25) die erste Stufe bilden.
2. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der acht Kompressionskammern mit einem Einlaß und mit einem Auslaß ausgerüstet ist, daß der Eintritt (3) der Pumpe (1) mit den Einlässen (16, 18, 26, 28) der vier Kompressionskammern (14, 15, 24, 25) von zwei Zylindern (12, 22) in Verbindung steht, daß die Auslässe (17, 19, 27, 29) dieser vier Kompressionskammern mit den beiden Einlässen (36, 38) der beiden Kompressionskammern (34, 35) eines dritten Zylinders (32) verbunden sind, daß die Auslässe (37, 39) dieser beiden Kompressionskammern (34, 35) mit dem Einlaß der zylindrischen Kompressionskammer (44) des vierten Zylinders (41) verbunden sind und daß der Auslaß (47) dieser zylindrischen Kompressionskammer (44) mit dem Einlaß (48) der ringförmigen Kompressionskammer (45) des vierten Zylinders (42) verbunden ist.
3. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder-Kolben-Systeme (11, 21, 31, 41) derart paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind, daß ihre Kolben (13, 23, 33, 43) über eine gemeinsame Kurbelwelle (5) antreibbar sind.
4. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (1) mit einem dichten Gehäuse (2) ausgerüstet ist, das über eine Düse (64) mit einer der Kompressionskammern, vorzugsweise mit der austrittseitig gelegenen ringförmigen Kompressionskammer (45), verbunden ist.
5. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein druckabhängiges Eintrittsventil (52) vorgesehen ist.
6. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (52) eine Kammer (65) mit einem Verschlußkörper (68) aufweist, der mit einer zentralen Bohrung (69) ausgerüstet ist und der unter der Wirkung von zwei Federn (70, 71) steht.

Images