EP2821650A2 - Membranvakuumpumpe - Google Patents

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EP2821650A2
EP2821650A2 EP20140171516 EP14171516A EP2821650A2 EP 2821650 A2 EP2821650 A2 EP 2821650A2 EP 20140171516 EP20140171516 EP 20140171516 EP 14171516 A EP14171516 A EP 14171516A EP 2821650 A2 EP2821650 A2 EP 2821650A2
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EP
European Patent Office
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gas
ballast
valve
vacuum pump
pump
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EP20140171516
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EP2821650B1 (de
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Thorsten Burggraf
Jürgen Wissner
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Pfeiffer Vacuum GmbH
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum GmbH
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Publication date
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Publication of EP2821650A3 publication Critical patent/EP2821650A3/de
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    • F04C23/005—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids of dissimilar working principle

Definitions

  • the present invention relates to a membrane vacuum pump with at least one diaphragm pump stage.
  • Diaphragm vacuum pumps are suitable for evacuating gas volumes and, depending on the application, can be connected directly to a volume to be evacuated or serve as a backing pump for a further vacuum pump upstream of the membrane vacuum pump in the flow direction, for example for a turbomolecular pump.
  • the membrane vacuum pump may comprise one or more membrane pumping stages, which may be connected one behind the other or in parallel with one another in the flow direction, such that the membrane pumping stages pump in series or in parallel.
  • ballastgas In order to reduce the influence of the condensation of liquids on the reliability and life of the membrane vacuum pump, a Ballastgas founded can be used to guide a ballast gas (gas ballast) in the pump chamber of the vacuum pump.
  • the ballast gas serves to prevent the formation of condensate and Remove existing condensate from the pump room.
  • the formation of condensate can not be reliably prevented at all times everywhere in the pump room, and the amount of feedable ballast gas is limited.
  • the final vacuum pressure achievable with the vacuum pump is increased.
  • the object of the invention is therefore to provide a membrane vacuum pump which overcomes the disadvantages described above and in particular a condensate formation is completely and reliably prevented at any time, without the pumping properties of the vacuum pump are thereby deteriorated.
  • the membrane vacuum pump comprises at least one membrane pumping stage, at least one inlet valve associated with the membrane pumping stage for a process gas to be conveyed and at least one gas ballast valve for supplying a ballast gas.
  • the flow path for the ballast gas leading through the gas ballast valve opens into the flow path for the process gas downstream of the inlet valve in the direction of flow of the process gas.
  • the inlet valve prevents in that the ballast gas flows in the opposite direction to the process gas flow to the pump inlet of the membrane vacuum pump and thereby increases the achievable final vacuum pressure of the pump.
  • the ballast gas can reach the entire pump chamber of the membrane vacuum pump, so that complete flushing of the pump chamber is achieved and condensation everywhere is effectively prevented. A deterioration of the pumping properties and in particular the achievable final pressure is avoided even when supplying a high amount of ballast gas, which reliably prevents condensate formation and completely.
  • the flow path for the ballast gas opens directly behind the inlet valve in the flow path for the process gas. This ensures that the entire pump chamber of the vacuum pump is flushed with the supplied ballast gas and everywhere in the pump chamber condensation is effectively avoided.
  • the flow path for the ballast gas may, for example, open into the flow path for the process gas in a connection region or connection channel arranged between the inlet valve and the suction chamber of the membrane pumping stage, so that this region can also be flushed with the ballast gas.
  • the pump chamber of the membrane pumping stage can be limited in a manner known per se by a static head cover and by a movable membrane.
  • the connection area or connection channel between the inlet valve and The scoop space can be limited in this case, in whole or in part by the head cover.
  • the flow path for the ballast gas can also open in the immediate vicinity of the connection channel for the process gas directly into the pump chamber or the flow path for the ballast gas and the flow path for the process gas can meet in the region of a common mouth of the pump chamber.
  • the flow path for the ballast gas may pass through a ballast gas channel, which is preferably at least partially and in particular completely bounded by the head cover of the membrane pumping stage.
  • the valve is an electrically actuated valve.
  • the gas ballast valve is an electromagnetic valve. Such a valve can be realized in a small space and is electrically controlled, so that an automatic actuation of the valve can take place.
  • a, in particular digital, control device is provided, which is operatively connected to the gas ballast valve and with which the gas ballast valve for actuation, in particular electrically, can be controlled, for example, to achieve a temporal control of the valve actuation.
  • the gas ballast valve is automatically controlled so that the operation of the gas ballast valve takes place in a predetermined relationship to the pumping operation of the vacuum pump, for example, at all times to avoid condensation as completely as possible.
  • a predetermined rinsing cycle can be automatically carried out in each case, in which the pump chamber is flushed with the ballast gas.
  • the purge cycle may be followed by a power cycle in which no ballast gas is supplied.
  • the control device may be configured to actuate the gas ballast valve in response to measurement signals provided by sensors of the vacuum pump and / or external sensors which depend on measurands relating to the operation of the vacuum pump or the process to be performed in the vacuum to be generated affect.
  • the control unit may be programmable such that a desired automatic actuation of the gas ballast valve by a user, e.g. in the form of adjustable rinsing cycles, individually definable.
  • the vacuum pump may comprise, in addition to the one diaphragm pumping stage, at least one further diaphragm pumping stage.
  • the further diaphragm pumping stage downstream of a diaphragm pumping stage in the flow direction of the process gas, so that the ballast gas is first funded by the one pumping stage and then by the further downstream pumping stage.
  • the ballast gas supplied to the pump chamber of the first diaphragm pumping stage automatically reaches the downstream pumping stage as a result of the pumping action of the vacuum pump, so that both pump stages are purged and thereby protected from condensate formation.
  • the membrane pumping stage may also comprise more than two, in particular three, four or more than four membrane pumping stages.
  • the gas ballast valve is associated with a pumping stage, viewed in the flow direction of the process gas at the beginning the membrane vacuum pump is arranged, that is to say follows without the interposition of further pumping stages on the pump inlet of the membrane vacuum pump.
  • the further diaphragm pumping stages may be connected downstream of the pumping stage assigned to the gas ballast valve in the flow direction of the process gas, so that the ballast gas supplied to the first pumping stage is also conveyed through the further pumping stages during operation of the vacuum pump and flushes the latter.
  • the flow rate of ballast gas that can be supplied to the pump via the gas ballast valve depends on the flow conductance of the gas ballast valve. To realize a desired flow rate, therefore, a gas ballast valve with a corresponding flow conductance can be simply used. On additional apertures of the vacuum pump to realize a desired flow rate can be omitted.
  • the gas ballast valve has an adjustable conductance.
  • the flow rate of the ballast gas that can be supplied to the pump can be easily adjusted to a desired value by adjusting the conductance.
  • the ballast gas flow rate that can be supplied via the ballast gas valve can be set so that it is more than 10%, preferably more than 20% and particularly preferably more than 30% of the pumping speed of the vacuum pump when the achievable final pressure at the pump inlet of the membrane vacuum pump and without other gas load is exceeded.
  • the gas ballast valve has at least two switching positions, wherein the ballast gas can be supplied to the pump chamber of the vacuum pump in one switching position of the gas ballast valve and wherein the gas ballast valve forms a gas-tight closure for the pump chamber in the other switching position.
  • the gas ballast valve is preferably a 3/2-way valve. Accordingly, the gas ballast valve preferably has two inputs and an output which is selectively connectable to gas by gas by switching the gas ballast valve with one of the two inputs.
  • the output of the gas ballast valve is preferably gas-conductively connected to the pump chamber of the pump, while one of the inputs preferably a ballast gas can be fed and the other input is preferably sealed gas-tight. Consequently, the ballast gas can be supplied to the pump chamber in one switching position, while the gas ballast valve in the other switching position forms a gastight seal for the pump chamber.
  • the inlet valve of the membrane pumping stage and / or an outlet valve of the membrane pumping stage can be designed such that it allows a gas flow to pass only in the desired flow direction of the process gas and prevents a return gas flow.
  • the inlet valve and / or an outlet valve of the membrane pumping stage can be designed as a gas flow-controlled valve, for example as a gas flow-controlled flutter valve.
  • a filter in particular a fine filter, is provided for filtering the ballast gas.
  • the filter is preferably arranged in the flow direction of the ballast gas before the confluence of the flow path of the ballast gas in the flow path of the process gas.
  • the filter may be arranged in the flow direction of the ballast gas in front of the gas ballast valve.
  • a further embodiment provides that a drive unit of the vacuum pump and the gas ballast valve with an electrical voltage of the same value, such as 24 volts, are actuated. Accordingly, a common power supply unit for providing a power supply for the drive unit and for the gas ballast valve may be provided. As a result, the effort required for the production of the vacuum pump is reduced.
  • Another object of the invention is a pump assembly having at least one membrane vacuum pump according to the present description and at least one upstream of the diaphragm vacuum pump with this gas-conducting in series another vacuum pump.
  • the further vacuum pump may be, for example, a turbomolecular pump, a single-stage or multi-stage Roots pump, a rotary vane pump, a scroll pump, a claw pump, a screw pump, a gate valve pump or an ion getter pump.
  • the diaphragm vacuum pump preferably serves as a backing pump for the upstream further vacuum pump.
  • the gas ballast valve prevents condensation in the diaphragm vacuum pump, so that the reliability, reliability and service life the diaphragm vacuum pump can be increased without thereby increasing the preliminary vacuum pressure that can be provided by the diaphragm vacuum pump for the further vacuum pump.
  • membrane vacuum pump shown comprises a first diaphragm pumping stage 12 and a second diaphragm pumping stage 14, which are connected in series in the flow direction and pumping in series.
  • the first pumping stage 12 includes an inlet 18 which simultaneously forms the pump inlet of the pump.
  • a supply line 60 is connected for the process gas to be pumped.
  • the supply line 60 can connect the membrane vacuum pump, for example, with the outlet side of an upstream turbomolecular pump, so that the membrane vacuum pump serves as a backing pump for the turbomolecular pump.
  • an inlet channel 24 formed in the housing 16 of the pump leads to an inlet valve 20 of the pumping stage 12.
  • the inlet valve 20 is designed as a gas flow-controlled valve with a valve plate 64 and allows a gas flow only in the in Fig. 1 with the arrows 56 designated flow direction of the process gas.
  • the inlet valve 20 is preferably between a housing cover 16 delimiting the inlet opening 24 of the housing 16 and a pump chamber 12 delimiting the pumping chamber 30 and in Fig. 1 simplicity arranged half the head cover of the housing 16, not shown as a separate part.
  • a connecting channel 26 Arranged on the outlet side of the inlet valve 20 is a connecting channel 26 which extends through the head cover and connects the outlet side of the inlet valve 20 to the suction chamber 30 of the pumping stage 12 in a gas-conducting manner.
  • the pumping chamber 30 is delimited by the head cover and by a membrane 32 which is mounted on a connecting rod 34 on a crankshaft 35 which can be driven in rotation.
  • the pump shown also comprises a gas ballast valve 22, which is supplied via a feed line 62 with a ballast gas.
  • the gas ballast valve 22 is designed as a 3/2-way valve and includes an output and two inputs.
  • the output of the gas ballast valve 22 is gas-conducting connected to a limited by the head cover of the pumping stage 12 Ballastgaskanal 28, which opens into the connecting channel 26.
  • One of the inputs of the gas ballast valve 22 is connected to the supply line 62 for the ballast gas, so that in the corresponding switching position of the gas ballast valve 22, the supply line 62 is turned on and the ballast gas according to the arrow 58 in the ballast gas channel 28 and from there via the connecting channel 26 in the Pumping chamber 30 is promoted.
  • the other input of the gas ballast valve 22 is sealed gas-tight, so that the gas ballast valve 22 in the corresponding switching position, the in Fig. 1 is shown forms a gas-tight closure for the pump chamber.
  • the gas ballast valve 22 is designed as an electromagnetic valve and is preferably provided with an in Fig. 1 not shown electronic control unit which controls the gas ballast valve 22 automatically.
  • the gas ballast valve 22 is in the schematic representation of Fig. 1 shown within a separate supply line 62 for the ballast gas.
  • the gas ballast valve 22 may in practice be firmly connected to the housing 16 of the membrane vacuum pump, in particular to the housing cover or the head cover of the first pumping stage 12, and may in particular be integrated into the housing 16.
  • the gas ballast valve 22 may be connected to the housing 16 directly at the inlet of the ballast gas channel 28 and / or the gas ballast valve 22 may be wholly or partially disposed within the ballast gas channel 28.
  • the pumping stage 12 further comprises a gas flow-controlled outlet valve 36, which is gas-conductively connected to the suction chamber 30 via a connection channel arranged in the head cover and which is designed to pass the conveyed gas only in the flow direction 56 directed away from the pumping chamber 30.
  • the outlet valve 36 is connected on the outlet side to an outlet 38 of the pumping stage 12.
  • a connecting line 40 connects the outlet 38 of the first pumping stage 12 to the inlet 42 of the second pumping stage 14, so that the pumping stages 12, 14 are connected in series in the flow direction 56 and pump in series with one another.
  • the second pumping stage 14 is designed substantially identical to the first pumping stage 12. On the inlet 42 of the second pumping stage 14th There follows a gas flow-controlled inlet valve 44 with a valve plate 68, which connects the inlet 42 with the pump chamber 46 of the second pumping stage 14.
  • the suction chamber 46 is as described above with respect to the first pumping stage 12 by a in Fig. 1 not shown as a separate part head cover of the housing 16 and a membrane 48 limited, which is coupled via a connecting rod 50 with the rotationally driven crankshaft 35.
  • the second pumping stage 14 comprises an outlet valve 52 with a valve plate 70, via which the gas ejected from the pumping chamber 46 can be fed to an outlet 54 of the second pumping stage 14, which simultaneously forms the pump outlet of the membrane vacuum pump.
  • One cycle comprises a suction phase for each pumping stage 12, 14, in which the gas to be delivered is sucked into the suction chamber 30, 46 via the respective inlet valve 20, 44, and a subsequent ejection phase, in which the gas to be delivered via the respective outlet valve 36 , 52 is expelled from the pump chamber 30, 46 and thereby pumped.
  • the gas ballast valve 22 is located in the in Fig. 1 shown switching position. In this position of the
  • Gas ballast valve 22 the gas ballast valve 22 forms a gas-tight seal for the pump chamber, so that no ballast gas enters the pump room.
  • a purge cycle is performed regularly, in particular at the beginning of each pumping cycle of the pump, during which the gas ballast valve 22 is in the second switching position.
  • the supply line 62 is continuous for the ballast gas, so that the pumping stages 12, 14 in addition to the pending at the inlet 18 to promote gas, the ballast gas via the ballast gas channel 28 into the pump chamber of the membrane vacuum pump.
  • the flow path of the ballast gas opens in the region of the connection channel 26 and consequently in the flow direction of the process gas immediately after the inlet valve 20 into the flow path of the process gas.
  • the entire pump chamber arranged behind the inlet valve 20 of the pump stages 12, 14 is thus flushed with the ballast gas, so that condensation is effectively avoided everywhere.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membranvakuumpumpe mit wenigstens einer Membranpumpstufe, wenigstens einem der Membranpumpstufe zugeordneten Einlassventil für ein zu förderndes Prozessgas und wenigstens einem Gasballastventil zur Zuführung eines Ballastgases, wobei der durch das Gasballastventil führende Strömungsweg für das Ballastgas in Strömungsrichtung des Prozessgases hinter dem Einlassventil in den Strömungsweg für das Prozessgas mündet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranvakuumpumpe mit wenigstens einer Membranpumpstufe.
  • Membranvakuumpumpen eignen sich zur Evakuierung von Gasvolumen und können je nach Anwendung direkt mit einem zu evakuierenden Volumen verbunden sein oder als Vorvakuumpumpe für eine weitere Vakuumpumpe dienen, die der Membranvakuumpumpe in Strömungsrichtung vorgeschaltet ist, zum Beispiel für eine Turbomolekularpumpe. Um ein gewünschtes Leistungsverhalten bereitzustellen, kann die Membranvakuumpumpe eine oder mehrere Membranpumpstufen umfassen, die in Strömungsrichtung hintereinander oder parallel zueinander geschaltet sein können, so dass die Membranpumpstufen seriell oder parallel zueinander pumpen.
  • Problematisch bei bekannten Membranvakuumpumpen ist die Kondensation von Wasserdampf im Pumpenraum (Schöpfraum) der Vakuumpumpe, da ein in dem Pumpenraum vorhandenes Kondensat die Funktionssicherheit der Vakuumpumpe beeinträchtigt und deren Lebensdauer herabsetzt.
  • Um den Einfluss der Kondensation von Flüssigkeiten auf die Funktionssicherheit und Lebensdauer der Membranvakuumpumpe zu reduzieren, kann eine Ballastgaseinrichtung eingesetzt werden, um ein Ballastgas (Gasballast) in den Pumpenraum der Vakuumpumpe zu führen. Das Ballastgas dient dabei dazu, die Bildung von Kondensat zu verhindern und vorhandenes Kondensat aus dem Pumpenraum zu entfernen. Mit bekannten Ballastgaseinrichtungen lässt sich die Kondensatbildung aber nicht jederzeit überall in dem Pumpenraum zuverlässig verhindern und die Menge des zuführbaren Ballastgases ist beschränkt. Ferner wird bei dem Einsatz bekannter Ballastgaseinrichtungen der mit der Vakuumpumpe erreichbare Endvakuumdruck erhöht.
  • Außerdem erhöhen bekannte Ballastgaseinrichtungen den für die Realisierung der Vakuumpumpe erforderlichen Bauraum erheblich und ermöglichen keine automatische zeitliche Steuerung der Ballastgaszuführung.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Membranvakuumpumpe anzugeben, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile überwindet und bei der insbesondere eine Kondensatbildung jederzeit vollständig und zuverlässig verhindert wird, ohne dass die Pumpeigenschaften der Vakuumpumpe dadurch verschlechtert werden.
  • Die Aufgabe wird durch eine Membranvakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Membranvakuumpumpe umfasst wenigstens eine Membranpumpstufe, wenigstens ein der Membranpumpstufe zugeordnetes Einlassventil für ein zu förderndes Prozessgas und wenigstens ein Gasballastventil zur Zuführung eines Ballastgases. Der durch das Gasballastventil führende Strömungsweg für das Ballastgas mündet in Strömungsrichtung des Prozessgases hinter dem Einlassventil in den Strömungsweg für das Prozessgas.
  • Da der Ballastgasweg in Strömungsrichtung des Prozessgases hinter dem Einlassventil in den Prozessgasweg mündet, verhindert das Einlassventil, dass das Ballastgas in der der Prozessgasströmung entgegengesetzten Richtung zu dem Pumpeneinlass der Membranvakuumpumpe strömt und dadurch den erreichbaren Endvakuumdruck der Pumpe erhöht. Gleichzeitig kann das Ballastgas den gesamten Pumpenraum der Membranvakuumpumpe erreichen, so dass eine vollständige Spülung des Pumpenraums erreicht und eine Kondensatbildung überall wirksam verhindert wird. Eine Verschlechterung der Pumpeigenschaften und insbesondere des erreichbaren Enddrucks wird selbst bei der Zuführung einer hohen Ballastgasmenge vermieden, welche eine Kondensatbildung zuverlässig und vollständig verhindert.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und in der Figur beschrieben.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform mündet der Strömungsweg für das Ballastgas unmittelbar hinter dem Einlassventil in den Strömungsweg für das Prozessgas. Dadurch wird gewährleistet, dass der gesamte Pumpenraum der Vakuumpumpe mit dem zugeführten Ballastgas gespült wird und überall in dem Pumpenraum eine Kondensatbildung wirksam vermieden wird.
  • Der Strömungsweg für das Ballastgas kann zum Beispiel in einem zwischen dem Einlassventil und dem Schöpfraum der Membranpumpstufe angeordneten Verbindungsbereich oder Verbindungskanal in den Strömungsweg für das Prozessgas münden, so dass auch dieser Bereich mit dem Ballastgas spülbar ist. Der Schöpfraum der Membranpumpstufe kann in an und für sich bekannter Weise durch einen statischen Kopfdeckel und durch eine bewegliche Membran begrenzt sein. Der Verbindungsbereich bzw. Verbindungskanal zwischen dem Einlassventil und dem Schöpfraum kann in diesem Fall ganz oder teilweise durch den Kopfdeckel begrenzt sein.
  • Der Strömungsweg für das Ballastgas kann auch in unmittelbarer Nähe des Verbindungskanals für das Prozessgas direkt in den Schöpfraum münden oder der Strömungsweg für das Ballastgas und der Strömungsweg für das Prozessgas können sich im Bereich einer gemeinsamen Mündung des Schöpfraums treffen.
  • Der Strömungsweg für das Ballastgas kann durch einen Ballastgaskanal führen, welcher vorzugsweise zumindest teilweise und insbesondere vollständig durch den Kopfdeckel der Membranpumpstufe begrenzt ist.
  • Bevorzugt ist das Ventil ein elektrisch betätigbares Ventil. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Gasballastventil ein elektromagnetisches Ventil. Ein solches Ventil lässt sich auf kleinem Bauraum realisieren und ist elektrisch ansteuerbar, sodass eine automatische Betätigung des Ventils erfolgen kann.
  • Bevorzugt ist eine, insbesondere digitale, Steuereinrichtung vorgesehen, die mit dem Gasballastventil wirkverbunden ist und mit der das Gasballastventil zur Betätigung, insbesondere elektrisch, ansteuerbar ist, z.B. um eine zeitliche Steuerung der Ventilbetätigung zu erreichen. Vorzugsweise ist das Gasballastventil automatisch so ansteuerbar, dass die Betätigung des Gasballastventils in einer vorgegebenen Abhängigkeit zu dem Pumpbetrieb der Vakuumpumpe erfolgt, beispielsweise um jederzeit eine Kondensatbildung möglichst vollständig zu vermeiden. Zum Beispiel kann am Anfang eines Pumpzyklus der Vakuumpumpe jeweils automatisch ein vorgegebener Spülzyklus durchgeführt werden, in dem der Pumpenraum mit dem Ballastgas gespült wird. Auf den Spülzyklus kann ein Leistungszyklus folgen, in dem kein Ballastgas zugeführt wird.
  • Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, das Gasballastventil in Abhängigkeit von Messsignalen zu betätigen, die von Sensoren der Vakuumpumpe und/oder von externen Sensoren bereitgestellt werden und die von Messgrößen abhängig sind, welche den Betrieb der Vakuumpumpe oder den in dem zu erzeugenden Vakuum durchzuführenden Prozess betreffen.
  • Die Steuereinheit kann programmierbar sein, sodass eine gewünschte automatische Betätigung des Gasballastventils von einem Benutzer, z.B. in Form von einstellbaren Spülzyklen, individuell vorgebbar ist.
  • Die Vakuumpumpe kann zusätzlich zu der einen Membranpumpstufe wenigstens eine weitere Membranpumpstufe umfassen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die weitere Membranpumpstufe der einen Membranpumpstufe in Strömungsrichtung des Prozessgases nachgeschaltet, so dass das Ballastgas zuerst durch die eine Pumpstufe und dann durch die nachgeschaltete weitere Pumpstufe gefördert wird. Bei dieser Ausgestaltung erreicht das dem Schöpfraum der ersten Membranpumpstufe zugeführte Ballastgas infolge der Pumpwirkung der Vakuumpumpe automatisch auch die nachgeschaltete weitere Pumpstufe, so dass beide Pumpstufen gespült und dadurch vor einer Kondensatbildung geschützt werden.
  • Die Membranpumpstufe kann insgesamt auch mehr als zwei, insbesondere drei, vier oder mehr als vier Membranpumpstufen umfassen. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn das Gasballastventil einer Pumpstufe zugeordnet ist, die in Strömungsrichtung des Prozessgases betrachtet am Anfang der Membranvakuumpumpe angeordnet ist, das heißt die ohne Zwischenschaltung weiterer Pumpstufen auf den Pumpeneinlass der Membranvakuumpumpe folgt. Die weiteren Membranpumpstufen können der dem Gasballastventil zugeordneten Pumpstufe in Strömungsrichtung des Prozessgases nachgeschaltet sein, so dass das der ersten Pumpstufe zugeführte Ballastgas im Betrieb der Vakuumpumpe auch durch die weiteren Pumpstufen gefördert wird und diese spült.
  • Die der Pumpe über das Gasballastventil zuführbare Strömungsmenge an Ballastgas ist abhängig von dem Strömungsleitwert des Gasballastventils. Zur Realisierung einer gewünschten Strömungsmenge kann deshalb einfach ein Gasballastventil mit einem entsprechenden Strömungsleitwert eingesetzt werden. Auf zusätzliche Blenden der Vakuumpumpe zur Realisierung einer gewünschten Strömungsmenge kann verzichtet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Gasballastventil einen einstellbaren Leitwert auf. In diesem Fall kann die der Pumpe zuführbare Strömungsmenge des Ballastgases einfach durch Einstellen des Leitwerts auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
  • Infolge der Einleitung des Ballastgases in Strömungsrichtung des Prozessgases hinter dem Einlassventil kann ohne Verschlechterung der Leistungseigenschaften der Pumpe mit einer hohen Ballastgasmenge gearbeitet werden, welche eine zuverlässige Spülung des gesamten Pumpenraums gewährleistet. Beispielsweise kann die über das Ballastgasventil zuführbare Ballastgasströmungsmenge so eingestellt sein, dass sie bei Vorherrschen des erreichbaren Enddrucks am Pumpeneinlass der Membranvakuumpumpe und ohne sonstige Gaslast mehr als 10 %, bevorzugt mehr als 20 % und besonders bevorzugt mehr als 30 % des Saugvermögens der Vakuumpumpe beträgt.
  • Prinzipiell ist es bevorzugt, wenn das Gasballastventil wenigstens zwei Schaltstellungen besitzt, wobei dem Pumpenraum der Vakuumpumpe in der einen Schaltstellung des Gasballastventils das Ballastgas zuführbar ist und wobei das Gasballastventil in der anderen Schaltstellung einen gasdichten Verschluss für den Pumpenraum bildet.
  • Bei dem Gasballastventil handelt es sich vorzugsweise um ein 3/2-Wegeventil. Das Gasballastventil weist dementsprechend vorzugsweise zwei Eingänge auf sowie einen Ausgang, der durch Umschalten des Gasballastventils selektiv mit einem der beiden Eingänge gasleitend verbindbar ist. Der Ausgang des Gasballastventils ist vorzugsweise mit dem Pumpenraum der Pumpe gasleitend verbunden, während einem der Eingänge vorzugsweise ein Ballastgas zuführbar ist und der andere Eingang vorzugsweise gasdicht abgedichtet ist. In der einen Schaltstellung ist dem Pumpenraum folglich das Ballastgas zuführbar, während das Gasballastventil in der anderen Schaltstellung einen gasdichten Verschluss für den Pumpenraum bildet.
  • Das Einlassventil der Membranpumpstufe und/oder ein Auslassventil der Membranpumpstufe kann so ausgebildet sein, dass es einen Gasstrom nur in der gewünschten Strömungsrichtung des Prozessgases durchlässt und einen Rückgasstrom verhindert. Beispielsweise kann das Einlassventil und/oder ein Auslassventil der Membranpumpstufe als gasstromgesteuertes Ventil ausgebildet sein, zum Beispiel als gasstromgesteuertes Flatterventil. Durch die Zuführung des Ballastgases in Strömungsrichtung hinter dem Einlassventil wird folglich ein Rückströmen des Ballastgases entgegen der Strömungsrichtung des Prozessgases vermieden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Filter, insbesondere ein Feinfilter, zur Filterung des Ballastgases vorgesehen. Der Filter ist vorzugsweise in Strömungsrichtung des Ballastgases vor der Einmündung des Strömungswegs des Ballastgases in den Strömungsweg des Prozessgases angeordnet. Der Filter kann in Strömungsrichtung des Ballastgases vor dem Gasballastventil angeordnet sein. Dadurch werden das Gasballastventil und der Pumpenraum der Vakuumpumpe vor Verunreinigungen von außen geschützt.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass eine Antriebseinheit der Vakuumpumpe und das Gasballastventil mit einer elektrischen Spannung desselben Werts, wie zum Beispiel 24 Volt, betätigbar sind. Dementsprechend kann eine gemeinsame Stromversorgungseinheit zur Bereitstellung einer Stromversorgung für die Antriebseinheit und für das Gasballastventil vorgesehen sein. Dadurch wird der für die Herstellung der Vakuumpumpe erforderliche Aufwand reduziert.
  • Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Pumpenanordnung mit wenigstens einer Membranvakuumpumpe gemäß der vorliegenden Beschreibung und wenigstens einer stromaufwärts der Membranvakuumpumpe mit dieser gasleitend in Reihe geschalteten weiteren Vakuumpumpe. Die weitere Vakuumpumpe kann zum Beispiel eine Turbomolekularpumpe, eine einstufige oder mehrstufige Wälzkolbenpumpe, eine Drehschieberpumpe, eine Scroll-Pumpe, eine Klauenpumpe, eine Schraubenpumpe, eine Sperrschieberpumpe oder eine Ionengetterpumpe sein.
  • Die Membranvakuumpumpe dient vorzugsweise als Vorvakuumpumpe für die vorgeschaltete weitere Vakuumpumpe. Durch das Gasballastventil wird eine Kondensatbildung in der Membranvakuumpumpe verhindert, so dass die Betriebssicherheit, die Zuverlässigkeit und die Betriebslebensdauer der Membranvakuumpumpe erhöht werden, ohne dass dadurch der von der Membranvakuumpumpe für die weitere Vakuumpumpe bereitstellbare Vorvakuumdruck erhöht wird.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine Membranvakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Membranvakuumpumpe umfasst eine erste Membranpumpstufe 12 und eine zweite Membranpumpstufe 14, die in Strömungsrichtung hintereinander geschaltet sind und seriell pumpen. Die erste Pumpstufe 12 umfasst einen Einlass 18, der gleichzeitig den Pumpeneinlass der Pumpe bildet. An dem Einlass 18 ist eine Zuleitung 60 für das zu fördernde Prozessgas angeschlossen. Die Zuleitung 60 kann die Membranvakuumpumpe beispielsweise mit der Auslassseite einer vorgeschalteten Turbomolekularpumpe verbinden, so dass die Membranvakuumpumpe als Vorpumpe für die Turbomolekularpumpe dient.
  • Von dem Einlass 18 führt ein in dem Gehäuse 16 der Pumpe ausgebildeter Einlasskanal 24 zu einem Einlassventil 20 der Pumpstufe 12. Das Einlassventil 20 ist als gasstromgesteuertes Ventil mit einem Ventilplättchen 64 ausgebildet und erlaubt einen Gasfluss nur in der in Fig. 1 mit den Pfeilen 56 bezeichneten Strömungsrichtung des Prozessgases. Das Einlassventil 20 ist vorzugsweise zwischen einem den Einlasskanal 24 begrenzenden Gehäusedeckel des Gehäuses 16 und einem den Schöpfraum 30 der Pumpstufe 12 begrenzenden und in Fig. 1 der Einfachheit halber nicht als separates Teil dargestellten Kopfdeckel des Gehäuses 16 angeordnet.
  • An der Auslassseite des Einlassventils 20 ist ein sich durch den Kopfdeckel hindurch erstreckender Verbindungskanal 26 angeordnet, welcher die Auslassseite des Einlassventils 20 gasleitend mit dem Schöpfraum 30 der Pumpstufe 12 verbindet. Der Schöpfraum 30 ist durch den Kopfdeckel und durch eine Membran 32 begrenzt, die über einen Pleuel 34 an einer rotierend antreibbaren Kurbelwelle 35 gelagert ist.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Pumpe umfasst außerdem ein Gasballastventil 22, welches über eine Zuleitung 62 mit einem Ballastgas versorgt wird. Das Gasballastventil 22 ist als 3/2-Wegeventil ausgebildet und umfasst einen Ausgang und zwei Eingänge. Der Ausgang des Gasballastventils 22 ist gasleitend mit einem durch den Kopfdeckel der Pumpstufe 12 begrenzten Ballastgaskanal 28 verbunden, welcher in den Verbindungskanal 26 einmündet.
  • Einer der Eingänge des Gasballastventils 22 ist mit der Zuleitung 62 für das Ballastgas verbunden, so dass in der entsprechenden Schaltstellung des Gasballastventils 22 die Zuleitung 62 durchgeschaltet ist und das Ballastgas gemäß dem Pfeil 58 in den Ballastgaskanal 28 und von dort über den Verbindungskanal 26 in den Schöpfraum 30 gefördert wird. Der andere Eingang des Gasballastventils 22 ist gasdicht abgedichtet, so dass das Gasballastventil 22 in der entsprechenden Schaltstellung, die in Fig. 1 dargestellt ist, einen gasdichten Verschluss für den Pumpenraum bildet.
  • Das Gasballastventil 22 ist als elektromagnetisches Ventil ausgebildet und ist vorzugsweise mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten elektronischen Steuereinheit verbunden, die das Gasballastventil 22 automatisch ansteuert. Das Gasballastventil 22 ist in der schematischen Darstellung von Fig. 1 innerhalb einer separaten Zuleitung 62 für das Ballastgas dargestellt. Das Gasballastventil 22 kann in der Praxis fest mit dem Gehäuse 16 der Membranvakuumpumpe verbunden sein, insbesondere mit dem Gehäusedeckel oder dem Kopfdeckel der ersten Pumpstufe 12, und kann insbesondere in das Gehäuse 16 integriert sein. Beispielsweise kann das Gasballastventil 22 direkt am Eingang des Ballastgaskanals 28 mit dem Gehäuse 16 verbunden sein und/oder das Gasballastventil 22 kann ganz oder teilweise innerhalb des Ballastgaskanals 28 angeordnet sein.
  • Die Pumpstufe 12 umfasst ferner ein gasstromgesteuertes Auslassventil 36, das einlassseitig über einen in dem Kopfdeckel angeordneten Verbindungskanal gasleitend mit dem Schöpfraum 30 verbunden ist und das dazu ausgebildet ist, das geförderte Gas nur in der von dem Schöpfraum 30 weg gerichteten Strömungsrichtung 56 durchzulassen. Das Auslassventil 36 ist auslassseitig mit einem Auslass 38 der Pumpstufe 12 verbunden.
  • Eine Verbindungsleitung 40 verbindet den Auslass 38 der ersten Pumpstufe 12 mit dem Einlass 42 der zweiten Pumpstufe 14, so dass die Pumpstufen 12, 14 in Strömungsrichtung 56 hintereinander geschaltet sind und seriell zueinander pumpen. Prinzipiell ist es auch möglich, die beiden Pumpstufen parallel zueinander zu schalten, so dass sie parallel zueinander pumpen. Dazu ist es möglich, die Einlässe beider Pumpstufen jeweils mit dem Pumpeneinlass der Vakuumpumpe zu verbinden und die Auslässe beider Pumpstufen jeweils mit dem Pumpenauslass der Vakuumpumpe zu verbinden.
  • Die zweite Pumpstufe 14 ist im Wesentlichen identisch zu der ersten Pumpstufe 12 ausgebildet. Auf den Einlass 42 der zweiten Pumpstufe 14 folgt ein gasstromgesteuertes Einlassventil 44 mit einem Ventilplättchen 68, welches den Einlass 42 mit dem Schöpfraum 46 der zweiten Pumpstufe 14 verbindet. Der Schöpfraum 46 ist wie vorstehend in Bezug auf die erste Pumpstufe 12 beschrieben durch einen in Fig. 1 nicht als separates Teil dargestellten Kopfdeckel des Gehäuses 16 und eine Membran 48 begrenzt, die über ein Pleuel 50 mit der rotierend antreibbaren Kurbelwelle 35 gekoppelt ist. Die zweite Pumpstufe 14 umfasst ein Auslassventil 52 mit einem Ventilplättchen 70, über das das aus dem Schöpfraum 46 ausgestoßene Gas einem Auslass 54 der zweiten Pumpstufe 14 zuführbar ist, welcher gleichzeitig den Pumpenauslass der Membranvakuumpumpe bildet.
  • Die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Vakuumpumpe ist nachfolgend erläutert.
  • Im Betrieb der Vakuumpumpe wird die Kurbelwelle 35 rotierend angetrieben, so dass die Pleuel 34, 50 mit den daran befestigten Membranen 32, 48 der beiden Pumpstufen 12, 14 zyklisch auf- und abbewegt werden. Ein Zyklus umfasst für jede Pumpstufe 12, 14 eine Saugphase, in der das zu fördernde Gas über das jeweilige Einlassventil 20, 44 in den Schöpfraum 30, 46 angesaugt wird, und eine anschließende Ausstoßphase, in der das zu fördernde Gas über das jeweilige Auslassventil 36, 52 aus dem Schöpfraum 30, 46 ausgestoßen und dadurch gepumpt wird. Durch die Verbindungsleitung 40 wird ein serieller Pumpbetrieb gewährleistet, bei dem das an dem Einlass 18 anstehende zu fördernde Gas in Richtung der Pfeile 56 zuerst über die erste Pumpstufe 12 und anschließend über die zweite Pumpstufe 14 zu dem Auslass 54 gepumpt wird.
  • In der Endphase eines Pumpzyklus befindet sich das Gasballastventil 22 jeweils in der in Fig. 1 gezeigten Schaltstellung. In dieser Stellung des
  • Gasballastventils 22 bildet das Gasballastventil 22 einen gasdichten Verschluss für den Pumpenraum, so dass kein Ballastgas in den Pumpenraum gelangt.
  • Um eine Bildung von Kondensat in dem Pumpenraum der Vakuumpumpe zu vermeiden und vorhandenes Kondensat zu entfernen, wird regelmäßig, insbesondere am Anfang jedes Pumpzyklus der Pumpe, ein Spülzyklus durchgeführt, während dessen sich das Gasballastventil 22 in der zweiten Schaltstellung befindet.
  • In der zweiten Schaltstellung des Gasballastventils 22 ist die Zuleitung 62 für das Ballastgas durchgängig, so dass die Pumpstufen 12, 14 zusätzlich zu dem an dem Einlass 18 anstehenden, zu fördernden Gas das Ballastgas über den Ballastgaskanal 28 in den Pumpenraum der Membranvakuumpumpe fördern. Der Strömungsweg des Ballastgases mündet im Bereich des Verbindungskanals 26 und folglich in Strömungsrichtung des Prozessgases unmittelbar hinter dem Einlassventil 20 in den Strömungsweg des Prozessgases. Der gesamte hinter dem Einlassventil 20 angeordnete Pumpenraum der Pumpstufen 12, 14 wird folglich mit dem Ballastgas gespült, so dass eine Kondensatbildung überall wirksam vermieden wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 12, 14
    Pumpstufe
    16
    Gehäuse
    18
    Einlass
    20
    Einlassventil
    22
    Gasballastventil
    24
    Einlasskanal
    26
    Verbindungskanal
    28
    Ballastgaskanal
    30
    Schöpfraum
    32
    Membran
    34
    Pleuel
    35
    Kurbelwelle
    36
    Auslassventil
    38
    Auslass
    40
    Verbindungsleitung
    42
    Einlass
    44
    Einlassventil
    46
    Schöpfraum
    48
    Membran
    50
    Pleuel
    52
    Auslassventil
    54
    Auslass
    56, 58
    Pfeil
    60
    Zuleitung Prozessgas
    62
    Zuleitung Ballastgas
    64, 66, 68, 70
    Ventilplättchen

Claims (10)

  1. Membranvakuumpumpe mit wenigstens einer Membranpumpstufe (12), wenigstens einem der Membranpumpstufe (12) zugeordneten Einlassventil (20) für ein zu förderndes Prozessgas und wenigstens einem Gasballastventil (22) zur Zuführung eines Ballastgases, wobei der durch das Gasballastventil (22) führende Strömungsweg für das Ballastgas in Strömungsrichtung des Prozessgases hinter dem Einlassventil (20) in den Strömungsweg für das Prozessgas mündet.
  2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg für das Ballastgas unmittelbar hinter dem Einlassventil (20) in den Strömungsweg für das Prozessgas mündet.
  3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Gasballastventil (22) ein elektromagnetisches Ventil ist.
  4. Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die mit dem Gasballastventil (22) wirkverbunden ist und mit der das Gasballastventil (22) zur Betätigung ansteuerbar ist.
  5. Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der einen Membranpumpstufe (12) wenigstens eine weitere Membranpumpstufe (14) vorgesehen ist, die der einen Membranpumpstufe (12) vorzugsweise in Strömungsrichtung des Prozessgases nachgeschaltet ist.
  6. Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Gasballastventil (22) einen einstellbaren Leitwert aufweist.
  7. Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Gasballastventil (22) ein 3/2-Wegeventil ist.
  8. Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter zur Filterung des Ballastgases vorgesehen ist, welcher vorzugsweise in Strömungsrichtung des Ballastgases vor der Mündung des Strömungswegs des Ballastgases in den Strömungsweg des Prozessgases angeordnet ist.
  9. Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass dass eine Antriebseinheit der Vakuumpumpe und das Gasballastventil (22) mit einer elektrischen Spannung desselben Werts betätigbar sind und/oder
    dass eine gemeinsame Stromversorgungseinheit zur Bereitstellung einer Stromversorgung für die Antriebseinheit und für das Gasballastventil (22) vorgesehen ist.
  10. Pumpenanordnung mit wenigstens einer Membranvakuumpumpe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche und einer stromaufwärts der Membranvakuumpumpe mit dieser gasleitend in Reihe geschalteten weiteren Vakuumpumpe, wobei die weitere Vakuumpumpe vorzugsweise eine Turbomolekularpumpe, eine einstufige oder mehrstufige Wälzkolbenpumpe, eine Drehschieberpumpe, eine Scroll-Pumpe, eine Klauenpumpe, eine Schraubenpumpe, eine Sperrschieberpumpe oder eine Ionengetterpumpe ist.
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