DE102010009083A1 - Vacuum pump e.g. liquid-sealed vacuum pump, for use as rotary vane pump, has two pumping stages respectively arranged at vacuum side and pressure side, where one of pumping stages is implemented as screw pumping stage with screw pump unit - Google Patents

Vacuum pump e.g. liquid-sealed vacuum pump, for use as rotary vane pump, has two pumping stages respectively arranged at vacuum side and pressure side, where one of pumping stages is implemented as screw pumping stage with screw pump unit Download PDF

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Abstract

The pump has two pumping stages (1, 2) arranged at a vacuum side and a pressure side, respectively. One of the pumping stages is implemented as a membrane pumping stage with a membrane pump unit (10). The pumping stage is dimensioned such that the pumping stage provides 20 percentage of pumping speed to the pump at atmospheric pressure. The other pumping stage is implemented as a screw pumping stage with a screw pump unit (5). A pair of screw-shaped rotors (7a, 7b) is supported at the screw pump unit. The pumping stage is implemented as the screw pumping stage whose medium-contact surfaces are made of chemically persistent fluoroplastics or metal coated with fluoroplastics or ceramics.

Description

Die Erfindung betrifft eine im Schöpfraum ölfrei und berührungslos laufende Vakuumpumpe mit einem Endvakuum im Bereich 102 Pa bis 10–2 Pa (Feinvakuumbereich) mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The invention relates to an oil-free and contactless running in the pump chamber vacuum pump with a final vacuum in the range 10 2 Pa to 10 -2 Pa (fine vacuum range) having the features of the preamble of claim 1.

Zahlreiche Prozesse in Forschung und Industrie erfordern ein Vakuum im Bereich 102 Pa bis 10–2 Pa, wobei häufig auch kondensierende und/oder aggressive Dampfe oder Gase gefördert werden müssen. Zur Erzeugung eines Vakuums in diesem Bereich werden oft flüssigkeitsgedichtete oder -geschmierte Vakuumpumpen wie beispielsweise ölgedichtete Drehschieberpumpen eingesetzt. Die Verwendung von solchen Pumpen, bei denen das gepumpte Medium mit Öl oder anderen Flüssigkeiten in Berührung kommt, hat zahlreiche Nachteile. So können die gepumpten Medien den Schmierstoff verunreinigen oder mit ihm reagieren, was die Schmier- und Dichtwirkung herabsetzt. Rückströmung von gasförmigen Komponenten oder Zersetzungsprodukten des Schmierstoffes in die Prozeßanlage kann die dortigen Prozesse empfindlich stören.Numerous processes in research and industry require a vacuum in the range 10 2 Pa to 10 -2 Pa, which often also condensing and / or aggressive steam or gases must be promoted. To create a vacuum in this area, liquid-sealed or lubricated vacuum pumps such as oil-sealed rotary vane pumps are often used. The use of such pumps, in which the pumped medium comes into contact with oil or other liquids, has numerous disadvantages. Thus, the pumped media can contaminate or react with the lubricant, which reduces the lubricity and sealing effect. Backflow of gaseous components or decomposition products of the lubricant in the process plant can interfere with the local processes sensitive.

Aus diesem Grund werden seit langem sogenannte ”trockene” Vakuumpumpen, also Pumpen, bei denen die gepumpten Medien nicht mit Flüssigkeit in Berührung kommen, sehr geschätzt.For this reason, so-called "dry" vacuum pumps, ie pumps in which the pumped media does not come into contact with liquid, have long been appreciated.

Bei höheren Drücken, d. h. im Bereich 105 Pa bis 102 Pa, sind Membranvakuumpumpen ( DE-C-199 04 350 ) vorteilhaft, da dort der Schöpfraum durch eine gasdicht eingespannte Membran hermetisch vom Antriebsbereich abgetrennt ist und sich – für Chemie-Anwendungen – die medienberührten Teile der Pumpe aus chemisch beständigen Materialien wie beispielsweise Fluorkunststoffen herstellen lassen. Membranvakuumpumpen sind sowohl für Chemie- wie auch Nicht-Chemie-Anwendungen sehr verbreitet, da sie zuverlässig und robust sind und sich auch gerade für kleine Saugvermögen im Bereich 1 bis 15 m3/h, beispielsweise für Laboranwendungen, preiswert herstellen lassen. Durch ein begrenztes Verdichtungsverhältnis und die meist nur durch die Gasströmung betätigten Ventile lassen sich jedoch Drücke unterhalb 50 Pa nur schwer erreichen. Dieses Vakuum ist für Anwendungen, die Feinvakuum benötigen, nicht ausreichend.At higher pressures, ie in the range of 10 5 Pa to 10 2 Pa, diaphragm vacuum pumps ( DE-C-199 04 350 ) Advantageous, since there the pumping chamber is hermetically separated by a gas-tight membrane clamped from the drive range and - for chemical applications - the wetted parts of the pump can be made of chemically resistant materials such as fluoroplastics. Diaphragm vacuum pumps are very popular for both chemical and non-chemical applications because they are reliable, robust and can be produced inexpensively even for small pumping speeds in the range of 1 to 15 m 3 / h, for example for laboratory applications. However, due to a limited compression ratio and the valves which are usually actuated only by the gas flow, pressures below 50 Pa are difficult to achieve. This vacuum is not sufficient for applications requiring fine vacuum.

Kolbenpumpen erreichen durch ihr höheres Verdichtungsverhältnis und die einfache Möglichkeit, den Gasein- und auslaß durch den Kolben selbst zu steuern, Enddrücke im Feinvakuum bis zu 1 Pa. Die Kolbendichtung ist jedoch eine gleitende Dichtung. Solche Dichtungen weisen eine vergleichsweise hohe Leckrate auf, d. h. der Schöpfraum ist nicht hermetisch vom Antriebsraum (mit beispielsweise fettgeschmierten Lagern) getrennt. Dies kann sowohl eine Verunreinigung der gepumpten Medien durch Öle oder Fette, als auch Korrosion im Antriebsraum infolge aggressiver gepumpter Medien hervorrufen. Darüber hinaus reagieren diese Dichtungen empfindlich auf Kondensate und Partikel. Zudem lassen sich Kolbendichtungen nur schwierig mit der benötigten Präzision herstellen und weisen nur begrenzte Lebensdauer auf.Piston pumps reach final pressures in a fine vacuum up to 1 Pa due to their higher compression ratio and the simple possibility to control the gas inlet and outlet by the piston itself. However, the piston seal is a sliding seal. Such seals have a comparatively high leakage rate, i. H. the pump chamber is not hermetically separated from the drive compartment (with, for example, grease-lubricated bearings). This can cause contamination of the pumped media by oils or greases, as well as corrosion in the drive compartment due to aggressive pumped media. In addition, these seals are sensitive to condensates and particles. In addition, piston seals are difficult to produce with the required precision and have only a limited life.

Eine weitere verbreitete Bauart von Feinvakuumpumpen sind Scrollpumpen. Diese beruhen auf dem Fördern des Mediums in sichelförmigen Volumina, die durch einen im Querschnitt spiralförmigen, in axialer Richtung achsparallelen Rotor im Eingriff mit einen gleichartigen spiralförmigen Stator gebildet werden. Die bewegliche Spirale wird durch einen exzentrischen Antrieb sowie einen Mechanismus, der die Spirale am Mitdrehen hindert, in eine orbitierende Bewegung versetzt.Another common type of fine vacuum pumps are scroll pumps. These are based on the conveyance of the medium in crescent-shaped volumes, which are formed by a cross-sectionally helical, axially parallel rotor in engagement with a similar spiral-shaped stator. The movable scroll is placed in an orbital motion by an eccentric drive and a mechanism that prevents the spiral from rotating.

Nachteilig ist, daß zur Erzielung der gewünschten vakuumtechnischen Daten schleifende Dichtungen an den Stirnseiten der Spiralen notwendig sind. Diese Dichtungen reagieren empfindlich auf Kondensate und Partikel und weisen nur eine begrenzte Lebensdauer auf. Darüber hinaus wird im Schöpfraum nach einiger Betriebszeit Abrieb von den schleifenden Dichtungen in Form von Staub beobachtet, der sowohl die Funktion der Pumpe selbst als auch angeschlossene Prozesse stören kann. Dieser Nachteil läßt sich durch die Kombination einer Scrollpumpe mit einer Membranpumpe als Vorpumpe vermeiden ( DE-A-102 25 774 ; DE-A-10 2005 042 451 ). Die insoweit bekannten Anordnungen sind jedoch vergleichsweise aufwendig.The disadvantage is that in order to achieve the desired vacuum data grinding seals on the faces of the spirals are necessary. These seals are sensitive to condensates and particles and have a limited life. In addition, abrasion from the abrasive seals in the form of dust is observed in the pump chamber after some operating time, which can interfere with both the function of the pump itself and connected processes. This disadvantage can be avoided by the combination of a scroll pump with a diaphragm pump as forepump ( DE-A-102 25 774 ; DE-A-10 2005 042 451 ). However, the known arrangements are comparatively expensive.

Eine weitere verbreitete Bauart von Feinvakuumpumpen beruht auf Wälzkolbenpumpen, auch Rootspumpen genannt. Zwei 8-förmige Kolben wälzen berührungslos, d. h. ohne schleifende Dichtungen wie in einer Kolben- oder Scrollpumpe, in einem geeignet geformten Gehäuse synchron aneinander ab, wodurch Gas vom Einlaß zum Auslaß gefördert wird. Mit einer solchen Anordnung lassen sich Verdichtungsverhältnisse von etwa 10–30 erzielen. Für die Feinvakuumerzeugung ist daher auch hier eine Vorpumpe oder ein mehrstufiger Aufbau erforderlich. Nachteilig ist der aufwendige Aufbau solcher mehrstufiger Anordnungen sowie die engen mechanischen Toleranzen, die bei der Fertigung und im Betrieb einzuhalten sind. Zudem reagieren solche Anordnungen empfindlich auf Kondensate, aggressive Medien oder Partikel.Another common type of fine vacuum pumps is based on Roots pumps, also called Roots pumps. Two 8-shaped pistons roll without contact, d. H. without abrasive seals, as in a piston or scroll pump, in a suitably shaped housing, synchronously abutted together, thereby delivering gas from the inlet to the outlet. With such an arrangement, compression ratios of about 10-30 can be achieved. For the fine vacuum generation, therefore, a forepump or a multi-stage construction is also required here. A disadvantage is the complex structure of such multi-stage arrangements and the tight mechanical tolerances that must be adhered to during manufacture and operation. In addition, such arrangements are sensitive to condensates, aggressive media or particles.

Ähnliches gilt für Klauenpumpen ( GB 429,171 ), die allerdings ein Verdichtungsverhältnis von etwa 50 erreichen können, also mit einer kleineren Anzahl von Stufen als Rootspumpen auskommen. Auch Klauenpumpen weisen zwei berührungslos synchron aneinander ablaufende Rotoren auf. Sie sind besonders für größere Saugvermögen (> 50 m3/h) verbreitet. Für kleinere Saugvermögen sind die Anforderungen an die Spaltmaße zu hoch für eine wirtschaftliche Realisierung. Dies liegt daran, daß bei einer Verkleinerung der Rotoren die relativen Rückströmungsverluste durch die Spalte, die zwischen den Rotoren sowie zwischen den Rotoren und dem Gehäuse bestehen, immer größer werden. Zugleich können diese Spaltmaße nicht beliebig verkleinert werden, zum einen wegen fertigungstechnischer Begrenzungen, zum anderen wegen der Materialausdehnung durch die – gerade bei Verdichtung bis auf Atmosphärendruck – unvermeidliche Temperaturerhöhung infolge der Kompression der Gase. Dies führt dazu, daß eine Klauenpumpe mit < 50 m3/h maximalem Saugvermögen kaum kompakter und preiswerter herzustellen wäre als eine deutlich größere.The same applies to claw pumps ( GB 429,171 ), which, however, can achieve a compression ratio of about 50, so get along with a smaller number of stages as Roots pumps. Claw pumps also have two non-contact synchronously running rotors on. They are especially popular for larger pumping speeds (> 50 m 3 / h). For smaller pumping speeds, the requirements for the gap dimensions are too high for an economic realization. This is because as the size of the rotors decreases, the relative backflow losses through the gaps between the rotors and between the rotors and the housing become larger and larger. At the same time, these gaps can not be reduced arbitrarily, on the one hand because of manufacturing limitations, on the other hand because of the material expansion by - just at compression to atmospheric pressure - inevitable increase in temperature due to the compression of the gases. This means that a claw pump with <50 m 3 / h maximum pumping speed would be less compact and cheaper to produce than a much larger.

Zur Reduzierung einer störenden Erwärmung insbesondere beim Abpumpen von Gasen mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist es bekannt, eine Rootspumpe oder eine Klauenpumpe mit einer Zusatzpumpe zu kombinieren ( EP-A-1 243 795 ).In order to reduce disturbing heating, in particular when pumping off gases with low thermal conductivity, it is known to combine a root pump or a claw pump with an auxiliary pump ( EP-A-1 243 795 ).

Eine weitere verbreitete Bauart von Feinvakuumpumpen sind Schraubenpumpen ( DE-C-594 691 ). Bei Schraubenpumpen laufen zwei schraubenförmige Rotoren berührungslos in einem geeignet geformten, den Schöpfraum bildenden Gehäuse aneinander ab, wodurch Gas vom Einlaß zum Auslaß gefördert wird. Der Antrieb der Rotoren erfolgt durch zwei synchron laufende Motoren ( DE-A-195 22 560 ) oder durch ein Mittel zum Antrieb und zur Synchronisation der Rotoren ausgehend von einer einzelnen Antriebswelle.Another common type of fine vacuum pumps are screw pumps ( DE-C-594 691 ). In screw pumps, two helical rotors abut each other in a suitably shaped housing forming the pumping chamber, thereby delivering gas from the inlet to the outlet. The rotors are driven by two synchronously running motors ( DE-A-195 22 560 ) or by means for driving and synchronizing the rotors from a single drive shaft.

Schraubenpumpen sind besonders für größere Saugvermögen (> 100 m3/h) verbreitet. Für kleinere Saugvermögen bzw. Baugrößen sind die Anforderungen an die Spaltmaße zu hoch für eine wirtschaftliche Realisierung, aus ähnlichen Gründen wie bei Klauenpumpen. Vorteil der Schraubenpumpen im Vergleich zu Roots- oder Klauenpumpen ist die hohe mögliche Verdichtung, da Schraubenpumpen intrinsisch vielstufig aufgebaut werden können, wobei jeder Schraubengang als Stufe wirkt. Damit bieten Schraubenpumpen die Möglichkeit, mit nur einem Rotorpaar ein tiefes Endvakuum zu erzielen. Bei nur einem Rotorpaar ist auch eine sogenannte fliegende Lagerung dieses Rotorpaars möglich. D. h. die Rotoren sind nur einseitig gelagert, was eine einfache Demontage des Stators (Gehäuseteil) z. B. für Wartungs- und Reinigungszwecke erlaubt.Screw pumps are especially popular for higher pumping speeds (> 100 m 3 / h). For smaller pumping speeds or sizes, the requirements for the gap dimensions are too high for economical implementation, for reasons similar to those of claw pumps. The advantage of screw pumps in comparison to roots or claw pumps is the high possible compression, since screw pumps can be built up intrinsically in many stages, with each screw thread acting as a step. Screw pumps thus offer the possibility of achieving a deep end vacuum with only one pair of rotors. With only one rotor pair, a so-called flying bearing of this pair of rotors is possible. Ie. the rotors are mounted only on one side, which is a simple disassembly of the stator (housing part) z. B. allowed for maintenance and cleaning purposes.

Wie oben erwähnt, werden Klauen- und Schraubenpumpen derzeit nur für größere Saugvermögen (> 50 m3/h) angeboten, da bei kleineren Pumpen die relativen Rückströmungsverluste und auch die thermischen Probleme bei Kompression auf Atmosphärendruck mit der damit verbundenen Materialausdehnung für eine wirtschaftliche Realisierung zu groß werden.As mentioned above, claw and screw pumps are presently offered only for greater pumping speeds (> 50 m 3 / h), since with smaller pumps the relative backflow losses and also the thermal problems with compression to atmospheric pressure with the associated material expansion for an economical realization grow up.

Für kleinere Saugvermögen (< 50 m3/h) stehen für eine ölfreie Feinvakuumerzeugung somit Scrollpumpen, Kolbenpumpen und vielstufige Rootspumpen zur Verfügung, mit den jeweils oben geschilderten Nachteilen.For smaller pumping speeds (<50 m 3 / h), scroll pumps, piston pumps and multistage roots pumps are available for oil-free fine vacuum generation, with the disadvantages described above.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine im Schöpfraum trocken und ohne schleifende Dichtungen arbeitende Vakuumpumpe für den Bereich bis Feinvakuum mit einem Saugvermögen < 50 m3/h anzugeben. Bevorzugt soll die Vakuumpumpe auch kompakt und wirtschaftlich herzustellen und zu betreiben sein.The object of the present invention is to specify a vacuum pump operating in the suction chamber dry and without sliding seals for the range up to a fine vacuum with a pumping rate <50 m 3 / h. Preferably, the vacuum pump should also be compact and economical to manufacture and operate.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist gelöst bei einer zweistufigen Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch das Merkmal des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1. Erfindungsgemäß ist bei der zweistufigen Pumpe die erste Pumpstufe eine Schraubenpumpstufe, während die zweite Pumpstufe, die druckseitig angeordnet ist, eine Membranpumpstufe ist. Die Membranpumpstufe ist dabei relativ zur Schraubenpumpstufe so dimensioniert, daß sie mindestens 20% des Saugvermögens der Vakuumpumpe bei Atmosphärendruck (Normalbedingungen) bereitstellt. Es soll sich also um eine als eigenständige Pumpstufe wirkungsvolle Einheit handeln. Bevorzugt sollte die Membranpumpstufe bis zu 50% des Saugvermögens der Vakuumpumpe bei Atmosphärendruck (Normalbedingungen) leisten können.The above object is achieved in a two-stage vacuum pump having the features of the preamble of claim 1 by the feature of the characterizing part of claim 1. According to the invention, in the two-stage pump, the first pump stage is a screw pump stage, while the second pump stage, which is arranged on the pressure side, a diaphragm pumping stage. The diaphragm pump stage is dimensioned relative to the screw pump stage so that it provides at least 20% of the pumping speed of the vacuum pump at atmospheric pressure (normal conditions). It should therefore be an effective unit as an independent pumping unit. Preferably, the membrane pumping stage should be able to provide up to 50% of the vacuum pump's vacuum capacity at atmospheric pressure (normal conditions).

Durch die druckseitig angeordnete Membranpumpstufe wirkt diese als wirkungsvolle Vorvakuumpumpe für die Schraubenpumpstufe. Dies bringt mehrere Vorteile mit sich. Die Kompression der Gase und Dämpfe auf Atmosphärendruck erfolgt nicht innerhalb der Schraubenpumpstufe, sondern innerhalb der Membranpumpstufe, wodurch eine übermäßige Freisetzung von Kompressionswärme und damit Temperaturerhöhung innerhalb der Schraubenpumpstufe vermieden wird. Darüber hinaus erfolgt beim Pumpen von kondensierbaren Dämpfen eine eventuell auftretende Kondensation nicht in der empfindlicheren Schraubenpumpstufe, sondern in der robusteren Membranpumpstufe. Auch die Ablagerung von Feststoffen aus gepumpten Medien innerhalb der Schraubenpumpstufe wird reduziert.Due to the diaphragm pump stage arranged on the pressure side, this acts as an effective backing pump for the screw pump stage. This brings several advantages. The compression of the gases and vapors to atmospheric pressure does not occur within the screw pumping stage, but within the membrane pumping stage, thereby avoiding excessive release of heat of compression and thus temperature increase within the screw pumping stage. In addition, when condensable vapors are pumped, condensation may not occur in the more sensitive screw pumping stage but in the more robust diaphragm pumping stage. Also, the deposition of solids from pumped media within the screw pumping stage is reduced.

Die Schraubenpumpstufe muß bei tiefen Drücken nur auf das Endvakuum der Membranpumpstufe verdichten, das in der Größenordnung von 50 bis 103 Pa liegt. Bei diesen niedrigen Drücken sind Rückströmungseffekte durch die Spalte zwischen den Rotoren sowie zwischen Gehäusewand und den Rotoren bereits deutlich verringert. Dies erlaubt die Gestaltung der Rotoren mit vergleichsweise größeren Spalten, was sich positiv auf die Herstellbarkeit der Komponenten, deren Kosten, und auf die Anforderungen bezüglich der Thermik bzw. der Kühlung auswirkt.The screw pumping stage must compress at low pressures only to the final vacuum of the membrane pumping stage, which is in the order of 50 to 10 3 Pa. At these low pressures, backflow effects through the gaps between the rotors as well as between the housing wall and the rotors are already significantly reduced. This allows the Design of the rotors with relatively larger columns, which has a positive effect on the manufacturability of the components, their cost, and on the requirements of the thermal or cooling.

Bei einem angestrebten Endvakuum von < 1 Pa und einem – von der Membranpumpstufe bereitgestellten – Vorvakuum von 50 bis 103 Pa muß die Schraubenpumpstufe nur eine Verdichtung von etwa 50–1000 erbringen, anstelle der vollständigen Verdichtung bis Atmosphärendruck (> 105). Dadurch genügen für die – im Vergleich zu einer Membranpumpstufe – aufwendigere Schraubenpumpstufe weniger ”Stufen”, also Schraubengänge, als ohne Vorpumpe.With a final vacuum of <1 Pa and a pre-vacuum of 50 to 10 3 Pa provided by the membrane pumping stage, the screw pumping stage need only provide a compression of about 50-1000 instead of full compression to atmospheric pressure (> 10 5 ). As a result, fewer "stages", ie screw flights, than without a backing pump are sufficient for the more expensive screw pumping stage compared to a diaphragm pumping stage.

Wenn man von einer Membranpumpstufe mit gutem Endvakuum < 100 Pa ausgeht kommt man mit einer überraschend geringen Anzahl von Schraubengängen in der Schraubenpumpstufe aus, um das angestrebte Endvakuum im Feinvakuumbereich zu erreichen. Damit kann man die schraubenförmigen Rotoren der Schraubenpumpeneinheit so kurz ausführen, daß sich diese mit geringem Aufwand fliegend lagern lassen (einseitige Lagerung). Das hat einen erheblichen Vorteil – nicht nur für Montage und Demontage – sondern auch für Reinigungs- und Reparaturzwecke (siehe beispielsweise DE-A-195 22 560 ).If one starts from a diaphragm pumping stage with a good ultimate vacuum <100 Pa, one comes with a surprisingly small number of screw threads in the screw pump stage to achieve the desired final vacuum in the fine vacuum range. So you can run the helical rotors of the screw pump unit so short that they can fly with little effort flying (one-sided storage). This has a significant advantage - not only for assembly and disassembly - but also for cleaning and repair purposes (see, for example DE-A-195 22 560 ).

Die bevorzugte Ausgestaltung mit fliegend gelagerten schraubenförmigen Rotoren ist insbesondere für Anwendungen mit kondensierenden Dämpfen oder aggressiven Gasen vorteilhaft.The preferred embodiment with overhung helical rotors is particularly advantageous for applications with condensing vapors or aggressive gases.

Für solche Anwendungen wird die Membranpumpstufe bevorzugt als Chemie-Membranpumpstufe ausgelegt, bei der die medienberührten Oberflächen aus chemisch beständigen Materialien wie beispielsweise Fluorkunststoffen oder Perfluorelastomeren hergestellt sind, oder bei geringeren Anforderungen aus entsprechend angepaßten Materialien.For such applications, the membrane pumping stage is preferably designed as a chemical membrane pumping stage in which the wetted surfaces are made of chemically resistant materials such as fluoroplastics or perfluoroelastomers, or lower requirements of appropriately sized materials.

Für die Schraubenpumpstufe empfiehlt es sich unter diesen Randbedingungen ebenfalls, daß deren medienberührte Oberflächen mindestens zum Teils aus hochbeständigen Fluorkunststoffen, wie beispielsweise PTFE, ETFE, ECTFE, PFA, vorzugsweise verstärkt durch Füllstoffe wie beispielsweise Kohlenstoffpartikel, Kohlefasern oder andere Kunstfasern, bestehen. Alternativ kommen auch andere chemisch beständige, ebenfalls vorzugsweise verstärkte Kunststoffe wie beispielsweise PEEK, PPS, PP oder PE in Frage.For the screw pumping stage, it is also advisable under these boundary conditions that their wetted surfaces consist at least in part of highly resistant fluoroplastics, such as PTFE, ETFE, ECTFE, PFA, preferably reinforced by fillers such as carbon particles, carbon fibers or other synthetic fibers. Alternatively, other chemically resistant, also preferably reinforced plastics such as PEEK, PPS, PP or PE come into question.

Eine weitere Alternative sind keramische Werkstoffe oder Metalle mit chemisch beständiger Beschichtung aus den oben angegebenen Kunststoffen. Derartige Werkstoffe weisen im allgemeinen eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit und teilweise auch deutlich höhere thermische Ausdehnungskoeffizienten als übliche metallische Werkstoffe wie Aluminium auf, die meist für Nicht-Chemie-Anwendungen verwendet werden.Another alternative is ceramic materials or metals with chemically resistant coating of the above-mentioned plastics. Such materials generally have a poorer thermal conductivity and sometimes also significantly higher thermal expansion coefficients than conventional metallic materials such as aluminum, which are mostly used for non-chemical applications.

Die Verwendung chemisch beständiger Werkstoffe für die Schraubenpumpstufe wird durch die Vorpumpe mit deren positiven Auswirkungen auf die zulässigen Spaltmaße und die thermischen Verhältnisse in der Schraubenpumpstufe erheblich begünstigt, wenn nicht sogar erst möglich gemacht.The use of chemically resistant materials for the screw pump stage is greatly facilitated, if not made possible, by the backing pump with its positive effects on the allowable gap dimensions and the thermal conditions in the screw pump stage.

Für Anwendungen mit kondensierenden Medien ist die erfindungsgemäße Vakuumpumpe bevorzugt so ausgelegt, daß der Auslaß der Schraubenpumpstufe an der tiefsten Stelle oder nahe der tiefsten Stelle angebracht ist, damit Kondensate leicht aus dem Schöpfraum der Schraubenpumpstufe bzw. der Schraubenpumpeneinheit herausgefördert werden können.For applications with condensing media, the vacuum pump according to the invention is preferably designed so that the outlet of the screw pumping stage is mounted at the lowest point or near the lowest point, so that condensates can be easily conveyed out of the pump chamber of the screw pumping or screw pump unit.

Für Anwendungen mit kondensierenden oder aggressiven Medien ist die erfindungsgemäße Vakuumpumpe bevorzugt so ausgelegt, daß nicht nur die Membranpumpstufe einen Gasballast, also einen Einlaß für ein Spülgas, insbesondere Luft, aufweist, sondern auch die Schraubenpumpstufe, wobei die Zugabe von Spülgas in die Schraubenpumpstufe bevorzugt entweder an deren Einlaß oder in der Nähe der Wellenabdichtung erfolgt.For applications with condensing or aggressive media vacuum pump according to the invention is preferably designed so that not only the diaphragm pumping a gas ballast, ie an inlet for a purge gas, in particular air, but also the screw pumping stage, wherein the addition of purge gas in the screw pumping stage preferably either takes place at the inlet or in the vicinity of the shaft seal.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Antriebsmotor der Schraubenpumpstufe und/oder der Antriebsmotor der Membranpumpstufe drehzahlvariabel. Eine weitere Steigerung der Flexibilität und des Leistungsvermögens der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe bei gleichzeitig hoher Kompaktheit wird durch die Ausgestaltung der Antriebseinheit mit elektronisch kommutierten Gleichspannungsmotoren erzielt. Solche Antriebsmotoren sind kompakt, leistungsstark und drehzahlregelbar. Dies erlaubt es, bei hohen Ansaugdrücken den Antriebsmotor der Membranpumpstufe mit hoher Geschwindigkeit zu betreiben, um ein hohes Saugvermögen in diesem Druckbereich zu erzielen. Die Schraubenpumpstufe arbeitet in diesem Druckbereich infolge der geringen ”Dichtwirkung” der Spalte grundsätzlich nur ineffizient, d. h. das Saugvermögen wird von der Membranpumpstufe bestimmt. Bei tieferen Drücken kann die Drehzahl des Antriebsmotors der Membranpumpstufe reduziert werden, während die Drehzahl des Antriebsmotors der Schraubenpumpstufe erhöht wird. Dies bewirkt eine volle Ausschöpfung der Leistungsfähigkeit der Schraubenpumpstufe in diesem Druckbereich und die Erreichbarkeit eines sehr tiefen Endvakuums. Gleichzeitig wird die Membranstandzeit durch die reduzierte Drehzahl des Antriebsmotors der Membranpumpstufe verlängert, da bei vielen Anwendungen nach einem kurzen Abpumpzyklus ein langer Betrieb bei tiefen Drücken folgt. Bei hohen Ansaugdrücken geht ein großer Anteil der Gesamtleistung in den Antrieb der Membranpumpstufe, bei niedrigen Ansaugdrücken dagegen in den Antrieb der Schraubenpumpstufe. Dies führt zu einem vergleichsweise konstanten mittleren Leistungsbedarf an der Gleichspannungsversorgungseinheit. Zur druck- oder prozessabhängigen Ansteuerung der Antriebseinheiten kann eine entsprechend programmierbare Steuerung vorgesehen sein.In a preferred embodiment, the drive motor of the screw pumping stage and / or the drive motor of the diaphragm pumping stage is variable in speed. A further increase in the flexibility and the performance of the vacuum pump according to the invention with simultaneously high compactness is achieved by the design of the drive unit with electronically commutated DC motors. Such drive motors are compact, powerful and speed controllable. This makes it possible to operate at high suction pressures the drive motor of the diaphragm pumping stage at high speed in order to achieve a high pumping speed in this pressure range. The screw pumping stage operates in this pressure range due to the low "sealing effect" of the column basically inefficient, ie the pumping speed is determined by the diaphragm pumping stage. At lower pressures, the speed of the drive motor of the diaphragm pump stage can be reduced while the speed of the screw pump stage drive motor is increased. This results in a full exploitation of the efficiency of the screw pumping stage in this pressure range and the accessibility of a very deep final vacuum. At the same time, membrane life is prolonged by the reduced speed of the membrane pump stage drive motor, as in many applications, after a short pump down cycle, long operation follows at low pressures. At high intake pressures, a large proportion of the total output goes in the drive of the diaphragm pumping stage, at low intake pressures, however, in the drive of the screw pumping stage. This leads to a comparatively constant average power requirement at the DC power supply unit. For pressure or process-dependent control of the drive units, a correspondingly programmable controller can be provided.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung werden die Membran- und die Schraubenpumpstufe von einem gemeinsamen Antriebsmotor angetrieben, wobei in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung zwischen der Membran- und der Schraubenpumpstufe eine Drehzahlunterschied besteht, wobei die Schraubenpumpstufe bevorzugt mit höherer Drehzahl läuft. Das Kraftübertragungsmittel mit der Fähigkeit zur Drehzahländerung zwischen Membran- und Schraubenpumpstufe kann beispielsweise ein Getriebe, ein Zahnriemen, eine Kette oder eine Zahnkette sein. Bevorzugt ist dieses Mittel zur Drehzahländerung in das Mittel zum Antrieb und zur Drehzahlsynchronisation der beiden Rotoren integriert.In another preferred embodiment, the diaphragm and the screw pump stage are driven by a common drive motor, wherein in a further preferred embodiment between the diaphragm and the screw pumping stage, there is a speed difference, the screw pump stage preferably runs at a higher speed. The power transmission means with the ability to change the speed between the diaphragm and screw pumping stage can be for example a gear, a toothed belt, a chain or a toothed chain. Preferably, this means for speed change is integrated in the means for driving and speed synchronization of the two rotors.

In einer anderen Ausgestaltung mit einem gemeinsamen Antriebsmotor und Drehzahlunterschied zwischen Schrauben- und Membranpumpstufe weist das Kraftübertragungsmittel eine variable Übersetzung auf, so daß beispielsweise bei hohen Ansaugdrücken die Schraubenpumpstufe langsamer laufen kann, um eine Überlastung der Schraubenpumpstufe oder des Antriebsmotors zu vermeiden, und erst bei niedrigen Ansaugdrücken läuft die Schraubenpumpstufe mit voller Drehzahl. Die Drehzahlsteuerung kann auch durch andere Parameter als den Ansaugdruck, wie beispielsweise die Motorlast (Motorstrom), die Zeit oder die Temperatur der Schraubenpumpstufe, oder durch ein externes Steuersignal, beispielsweise aus einer Prozeßsteuerung, erfolgen. Dies gilt natürlich auch für die anderen offenbarten drehzahlvariablen Antriebsausführungen.In another embodiment with a common drive motor and speed difference between screw and diaphragm pumping stages, the power transmission means has a variable ratio, so that, for example, at high suction pressures the screw pumping stage can run slower to avoid overloading the screw pumping stage or the drive motor, and only at low Suction pressure, the screw pump stage runs at full speed. The speed control may also be by other parameters than the suction pressure, such as the engine load (motor current), the time or the temperature of the screw pumping stage, or by an external control signal, for example from a process control. Of course, this also applies to the other disclosed variable-speed drive versions.

Wie oben erwähnt, sind bei Membranvakuumpumpen maximale Saugvermögen von 1 bis 15 m3/h üblich. Zur Erhöhung des maximalen Saugvermögens der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe – ohne wesentliche Mehrkosten – bietet es sich an, eine Membranpumpstufe bevorzugt mit einer etwas größeren Schraubenpumpstufe zu kombinieren. Typischerweise wird die Schraubenpumpstufe auf das 1- bis 5-fache des maximalen Saugvermögens der Membranpumpstufe ausgelegt werden.As mentioned above, maximum pumping speeds of 1 to 15 m 3 / h are common in membrane vacuum pumps. To increase the maximum pumping speed of the vacuum pump according to the invention - without significant additional costs - it is advisable to combine a diaphragm pumping stage preferably with a slightly larger screw pumping stage. Typically, the screw pumping stage will be designed to be 1 to 5 times the maximum pumping capacity of the membrane pumping stage.

Bei einem mehr als 1,5-fachen Saugvermögen der Schraubenpumpstufe wird bevorzugt zwischen der Schrauben- und der Membranpumpstufe ein Überdruckventil mit Bypassleitung um die Membranpumpstufe herum vorgesehen, um die Schraubenpumpstufe keinesfalls mit hohem Überdruck an deren Auslaß zu belasten.With more than 1.5 times the pumping speed of the screw pumping stage, a pressure relief valve with bypass line is preferably provided between the screw and the diaphragm pumping stage around the diaphragm pumping stage so as not to load the screw pumping stage at high pressure at its outlet.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Einlaß/Gaseintritt der Schraubenpumpstufe mit dem Einlaß/Gaseintritt der Membranpumpstufe mittels einer Bypassanordnung mit einer Bypassleitung und mit einer Ventilanordnung derart verbunden, daß bei hohen Ansaugdrücken der Einlaß der Schraubenpumpstufe verschlossen ist und das zu fördernde Medium direkt von der Membranpumpstufe gefördert wird. Dadurch wird die Belastung der Schraubenpumpstufe mit ggf. kondensierenden oder aggressiven Medien weiter vermindert, ohne daß das Saugvermögen der Gesamtanordnung bei hohen Drücken wesentlich nachteilig beeinflußt wird. Bei tiefen Ansaugdrücken, bevorzugt bei < 5 × 104 Pa, wird die Bypassleitung geschlossen und das Gas von der Schraubenpumpstufe vorverdichtet, bevor es in die Membranpumpstufe gelangt. Somit bleibt das Saugvermögen bei < 5 × 104 Pa sowie das Endvakuum unbeeinflußt im Vergleich zur Anordnung ohne Bypassleitung. In einer weiteren Ausführungsform wird bei hohen Ansaugdrücken nicht nur der Einlaß, sondern der Einlaß und der Auslaß der Schraubenpumpstufe verschlossen, um ein Eindringen von Gasen auch von der Auslaßseite in die Schraubenpumpstufe zu vermeiden.In another embodiment, the inlet / gas inlet of the screw pumping stage is connected to the inlet / gas inlet of the membrane pumping stage by means of a bypass arrangement with a bypass line and with a valve arrangement such that at high suction pressures the inlet of the screw pumping stage is closed and the medium to be delivered directly from the membrane pumping stage is encouraged. As a result, the load of the screw pumping stage with possibly condensing or aggressive media is further reduced, without the pumping speed of the overall arrangement is significantly adversely affected at high pressures. At low suction pressures, preferably <5 × 10 4 Pa, the bypass line is closed and the gas precompressed by the screw pumping stage before it enters the diaphragm pumping stage. Thus, the suction capacity at <5 × 10 4 Pa and the final vacuum remains unaffected compared to the arrangement without bypass line. In a further embodiment, not only the inlet, but the inlet and the outlet of the screw pumping stage is closed at high suction pressures in order to prevent ingress of gases from the outlet side into the screw pumping stage.

In einer bevorzugten Ausführungsform der obigen Anordnung wird der Einlaß/Gaseintritt der Schraubenpumpstufe bei hohen Drücken nicht verschlossen, sondern zur Atmosphäre oder zu einem Spülgasanschluß über eine Düse mit reduziertem Querschnitt geöffnet, um den Schöpfraum der Schraubenpumpstufe zu spülen und eventuell vorhandene flüssige oder feste Rückstände vorangegangener Abpumpvorgänge auszutreiben. Die Düse mit reduziertem Querschnitt im Vergleich zum Ansaugstutzen bewirkt, daß typischerweise nicht mehr als 10% des Saugvermögens der Membranpumpstufe in Form von Spülgas zugeführt wird. Das für die Anwendung zur Verfügung stehende Saugvermögen der Membranpumpstufe wird also nur unwesentlich verringert. Der Auslaß/Gasaustritt der Schraubenpumpstufe muß in diesem Fall geöffnet bleiben.In a preferred embodiment of the above arrangement, the inlet / gas inlet of the screw pumping stage is not closed at high pressures, but opened to the atmosphere or to a purge gas via a reduced cross-section nozzle to purge the pumping chamber suction space and any previous liquid or solid residues Expel pumping operations. The nozzle of reduced cross-section compared to the intake manifold causes typically no more than 10% of the pumping rate to be supplied to the membrane pumping stage in the form of purge gas. The pumping speed available for the application of the diaphragm pumping stage is therefore only marginally reduced. The outlet / gas outlet of the screw pump stage must remain open in this case.

Die Abdichtung des Schöpfraums der Schraubenpumpstufe an den Wellen gegen Atmosphäre erfolgt bevorzugt mit Wellendichtringen, wobei diese bevorzugt trockenlaufend, also ohne Schmiermittel, ausgebildet sind. Mögliche geeignete Materialpaarungen für solche trockenlaufenden Dichtringe sind beispielsweise PTFE auf gehärtetem, ggf. poliertem Stahl oder PTFE auf diamantähnlichen Kohlenstoffschichten oder anderen Beschichtungen.The sealing of the pump chamber of the screw pump stage on the waves against the atmosphere is preferably carried out with shaft seals, which are preferably dry-running, so without lubricant, are formed. Possible suitable material combinations for such dry-running sealing rings are, for example, PTFE on hardened, optionally polished steel or PTFE on diamond-like carbon layers or other coatings.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Wellendichtringe paarweise hintereinander angeordnet, wobei bevorzugt zwischen den Wellendichtringen ein Zwischenvakuum angelegt wird, welches beispielsweise durch Verbindung mit einer der Stufen der – meist mehrstufig aufgebauten – Membranpumpstufe bereitgestellt wird.In a further preferred embodiment, the shaft seals are arranged in pairs one behind the other, wherein preferably between the shaft seals an intermediate vacuum is applied, which is provided for example by connection to one of the stages of - usually multi-stage - diaphragm pumping stage.

In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Abdichtung des Schöpfraums der Schraubenpumpstufe an den Wellen gegen Atmosphäre durch enge Spalte oder eine sogenannte Labyrinthdichtung. Dabei handelt es sich um eine Anordnung mit engen Spalten, bei der die Leckrate durch die Spalte hinreichend klein ist. In another embodiment, the sealing of the pump chamber of the screw pumping stage takes place on the waves against atmosphere through narrow gaps or a so-called labyrinth seal. This is an arrangement with narrow gaps, in which the leak rate through the column is sufficiently small.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigtIn the following the invention will be explained with reference to an exemplary embodiments illustrative drawing. In the drawing shows

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen zweistufigen Vakuumpumpe mit getrennten Antriebsmotoren, 1 a schematic representation of a two-stage vacuum pump according to the invention with separate drive motors,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel ähnlich 1, jedoch mit einem gemeinsamen Antriebsmotor, 2 a second embodiment similar 1 but with a common drive motor,

3 ein weiteres Ausführungsbeispiel ähnlich 2 versehen mit einer Bypassanordnung und 3 similar to another embodiment 2 provided with a bypass arrangement and

4 in vergrößerter Darstellung, ebenfalls schematisch vereinfacht, ein besonderes Ausführungsbeispiel einer Wellendichtung für einen schraubenförmigen Rotor einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe. 4 in an enlarged view, also schematically simplified, a particular embodiment of a shaft seal for a helical rotor of a vacuum pump according to the invention.

Erfindungsgemäß geht es um eine Vakuumpumpe mit zwei Pumpstufen unterschiedlicher Ausgestaltung, wobei jede der beiden Pumpstufen ihrerseits wieder mehr als eine Pumpeneinheit aufweisen kann.The invention relates to a vacuum pump with two pump stages of different configuration, wherein each of the two pump stages may in turn have more than one pump unit.

Die ein erstes Ausführungsbeispiel zeigende 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe. Diese besteht aus der Kombination einer ersten, vakuumseitig angeordneten, also einem Rezipienten zugewandten Pumpstufe 1, hier dargestellt als Schraubenpumpstufe 1, die wiederum aus mehreren Schraubenpumpeinheiten bestehen kann, sowie einer zweiten, druckseitig angeordneten, also der Umgebungsatmosphäre zugewandten Pumpstufe 2, hier in Form einer Membranpumpstufe 2, die aus mehreren Membranpumpeinheiten bestehen kann. Die Schraubenpumpstufe 1 weist einen Antriebsmotor 3, z. B. einen Elektromotor, ein Kraftübertragungsmittel 4 zur Lagerung, Antrieb und Synchronisation und die eigentliche Schraubenpumpeneinheit 5, bestehend aus einem Stator 6 sowie zwei miteinander kämmenden schraubenförmigen Rotoren 7a und 7b auf. Gas tritt am Gaseintritt 8 ein, wird durch die Rotation der beiden schraubenförmigen Rotoren 7a, 7b im Stator 6 verdichtet und tritt am Gasaustritt 9 aus.Which shows a first embodiment 1 shows a schematic representation of a vacuum pump according to the invention. This consists of the combination of a first, arranged on the vacuum side, so a recipient pumping stage facing 1 , shown here as a screw pumping stage 1 , which in turn may consist of several screw pumping units, as well as a second, arranged on the pressure side, so the ambient atmosphere facing pumping stage 2 , here in the form of a diaphragm pumping stage 2 , which can consist of several membrane pump units. The screw pumping stage 1 has a drive motor 3 , z. B. an electric motor, a power transmission means 4 for storage, drive and synchronization and the actual screw pump unit 5 consisting of a stator 6 and two intermeshing helical rotors 7a and 7b on. Gas enters the gas inlet 8th A, is due to the rotation of the two helical rotors 7a . 7b in the stator 6 compressed and occurs at the gas outlet 9 out.

Das vorverdichtete Gas tritt vom Gasaustritt 9 in die Membranpumpstufe 2 ein, welche mindestens eine Membranpumpeneinheit 10 und einen Antriebsmotor 11, wie beispielsweise einen Elektromotor, aufweist. Das auf Atmosphärendruck verdichtete Gas tritt am Gasaustritt 12 aus.The pre-compressed gas emerges from the gas outlet 9 in the membrane pumping stage 2 a, which at least one membrane pump unit 10 and a drive motor 11 , such as an electric motor. The compressed to atmospheric pressure gas occurs at the gas outlet 12 out.

Die ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigende 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe mit einem gemeinsamen Antriebsmotor 3 und einer externen Bypassleitung 13 zur Umgehung der Membranpumpeneinheit 10. Die Vakuumpumpe besteht wiederum aus der Kombination einer Schraubenpumpstufe 1 mit einer Membranpumpstufe 2. Die komplette Vakuumpumpe wird von einem gemeinsamen Antriebsmotor 3 angetrieben, wobei in diesem speziellen Ausführungsbeispiel die Antriebsleistung z. B. mittels einer durchgehenden rotierenden Welle durch die Membranpumpeneinheit 10 in das Kraftübertragungsmittel 4 übertragen wird. Das Kraftübertragungsmittel 4 dient in diesem Falle sowohl zur Lagerung, Antrieb und Synchronisation der beiden Rotoren 7a, 7b, als auch zur Kraftübertragung von der Membranpumpeneinheit 10 auf die Schraubenpumpeneinheit 5. Das Kraftübertragungsmittel 4 könnte hier, wie auch im obigen Falle, zur Kraftübertragung und Synchronisation der Rotoren 7a, 7b beispielsweise ein Getriebe, einen Zahnriemen, eine Kette oder eine Zahnkette enthalten.Which shows a further embodiment 2 shows a schematic representation of a vacuum pump according to the invention with a common drive motor 3 and an external bypass line 13 to bypass the diaphragm pump unit 10 , The vacuum pump in turn consists of the combination of a screw pumping stage 1 with a diaphragm pumping stage 2 , The complete vacuum pump is powered by a common drive motor 3 driven, wherein in this particular embodiment, the drive power z. B. by means of a continuous rotating shaft through the membrane pump unit 10 in the power transmission means 4 is transmitted. The power transmission means 4 serves in this case both for storage, drive and synchronization of the two rotors 7a . 7b , as well as for power transmission from the diaphragm pump unit 10 on the screw pump unit 5 , The power transmission means 4 could here, as in the above case, for power transmission and synchronization of the rotors 7a . 7b For example, a transmission, a toothed belt, a chain or a tooth chain contain.

Die eigentliche Schraubenpumpeneinheit 5 besteht aus dem Stator 6 und den beiden paarweise angeordneten schraubenförmigen Rotoren 7a, 7b. Das Gas tritt vom Rezipienten am Gaseintritt 8 in die Schraubenpumpstufe 1 bzw. die Schraubenpumpeneinheit 5 ein und wird durch die Rotation der beiden schraubenförmigen Rotoren 7a, 7b im Schöpfraum innerhalb des Stators 6 verdichtet. Das Gas tritt am Gasaustritt 9 aus der Schraubenpumpstufe 1 aus und in die Membranpumpstufe 2 ein. Der Gasaustritt 9 ist also gleichzeitig Gaseintritt der Membranpumpeneinheit 10 der Membranpumpstufe 2. In der Membranpumpeneinheit 10 wird das Gas auf Atmosphärendruck verdichtet und tritt am Gasaustritt 12 in die Atmosphäre, den Außenraum, aus.The actual screw pump unit 5 consists of the stator 6 and the two paired helical rotors 7a . 7b , The gas enters the gas inlet from the recipient 8th in the screw pumping stage 1 or the screw pump unit 5 one and is due to the rotation of the two helical rotors 7a . 7b in the pump chamber inside the stator 6 compacted. The gas occurs at the gas outlet 9 from the screw pumping stage 1 out and into the membrane pumping stage 2 one. The gas outlet 9 is thus at the same gas inlet of the diaphragm pump unit 10 the diaphragm pumping stage 2 , In the diaphragm pump unit 10 the gas is compressed to atmospheric pressure and occurs at the gas outlet 12 into the atmosphere, the outside space, out.

Anders als in 1 ist bei dem Ausführungsbeispiel in 2 eine Bypassleitung 13 mit einer integrierten Vorrichtung zur Vermeidung von Überdruck, nämlich einem Rückschlagventil 14, vorgesehen. Die Bypassleitung 13 führt von der Verbindung zwischen den beiden Pumpstufen 1, 2 am Gasaustritt 9 zum Gasaustritt 12 der Membranpumpeneinheit 10. Bei aktivierter Bypassleitung 13 wird die Membranpumpeneinheit 10 also umgangen.Unlike in 1 is in the embodiment in 2 a bypass line 13 with an integrated overpressure prevention device, namely a check valve 14 , intended. The bypass line 13 leads from the connection between the two pumping stages 1 . 2 at the gas outlet 9 to the gas outlet 12 the diaphragm pump unit 10 , With activated bypass line 13 becomes the diaphragm pump unit 10 so bypassed.

Im Falle eines Überdrucks am Gasaustritt 9 der Schraubenpumpstufe 1 öffnet das Rückschlagventil 14 und verhindert so eine Überlastung der Schraubenpumpstufe 1. Die Bypassanordnung 13, 14 wird bevorzugt bei Ausführungen mit einem größeren Saugvermögen der Schraubenpumpstufe 1 als dem der Membranpumpstufe 2 eingesetzt und ist natürlich auch auf Ausführungsformen mit getrennten Antriebsmotoren anwendbar.In case of overpressure at the gas outlet 9 the screw pumping stage 1 opens the check valve 14 and thus prevents overloading of the screw pumping stage 1 , The bypass arrangement 13 . 14 is preferred for designs with a higher pumping pump stage pumping speed 1 when that of the membrane pumping stage 2 used and is of course applicable to embodiments with separate drive motors.

Die ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigende 3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe mit einem gemeinsamen Antriebsmotor 3 sowie externer Bypassleitung 16 an der Schraubenpumpstufe 1. Die Vakuumpumpe besteht wiederum aus der Kombination einer Schraubenpumpstufe 1 mit einer Membranpumpstufe 2. Die komplette Vakuumpumpe wird von einem gemeinsamen Antriebsmotor 3 angetrieben, wobei in diesem speziellen Ausführungsbeispiel die Antriebsleistung z. B. in Form einer rotierenden Welle durch die Membranpumpeneinheit 10 hindurch in das Kraftübertragungsmittel 4 übertragen wird. Das Kraftübertragungsmittel 4 dient in diesem Falle zur Lagerung, Antrieb und Synchronisation der beiden Rotoren 7a, 7b und zur Kraftübertragung vom Antriebsmotor 3 bzw. Membranpumpeneinheit 10 auf die Schraubenpumpstufe 1. Das Kraftübertragungsmittel 4 könnte auch hier zur Kraftübertragung und Synchronisation der Rotoren 7a, 7b beispielsweise ein Getriebe, einen Zahnriemen, eine Kette oder eine Zahnkette enthalten.Which shows a further embodiment 3 shows a schematic representation of the vacuum pump according to the invention with a common drive motor 3 as well as external bypass line 16 at the screw pumping stage 1 , The vacuum pump in turn consists of the combination of a screw pumping stage 1 with a diaphragm pumping stage 2 , The complete vacuum pump is powered by a common drive motor 3 driven, wherein in this particular embodiment, the drive power z. B. in the form of a rotating shaft through the membrane pump unit 10 through into the power transmission means 4 is transmitted. The power transmission means 4 serves in this case for storage, drive and synchronization of the two rotors 7a . 7b and for power transmission from the drive motor 3 or membrane pump unit 10 on the screw pumping stage 1 , The power transmission means 4 could also here for power transmission and synchronization of the rotors 7a . 7b For example, a transmission, a toothed belt, a chain or a tooth chain contain.

Der Aufbau der Schraubenpumpeneinheit 5 ist der gleiche wie im voranstehend behandelten Ausführungsbeispiel, so daß auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden darf.The construction of the screw pump unit 5 is the same as in the above-discussed embodiment, so that reference may be made to the statements there.

Anders als im ersten und im zweiten Ausführungsbeispiel ist hier am Gaseintritt 8 der Schraubenpumpstufe 1 ein Ventil 15 angeordnet, das als Absperrventil ausgeführt ist. Vom Gaseintritt 8 zweigt eine Bypassleitung 16 ab, die durch ein weiteres Ventil 17 auf und zu gesteuert werden kann. Die Bypassleitung 16 mündet in die Verbindung der beiden Pumpstufen 1, 2 am Gasaustritt 9 der Schraubenpumpstufe 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist gemäß bevorzugter Lehre auch am Gasaustritt 9 der Schraubenpumpstufe 1 noch ein Absperrventil 18 vorgesehen.Unlike in the first and in the second embodiment is here at the gas inlet 8th the screw pumping stage 1 a valve 15 arranged, which is designed as a shut-off valve. From the gas inlet 8th branches a bypass line 16 off, through another valve 17 can be controlled on and off. The bypass line 16 flows into the connection of the two pumping stages 1 . 2 at the gas outlet 9 the screw pumping stage 1 , In this embodiment, according to the preferred teaching also at the gas outlet 9 the screw pumping stage 1 another shut-off valve 18 intended.

Die Ventile 15, 17 und 18 werden von einer geeigneten Steuerung (nicht dargestellt) prozeß-, zeit- und/oder druckabhängig angesteuert. Ein typischer Abpumpvorgang könnte so aussehen, daß beim Abpumpen von Atmosphärendruck zuerst Ventile 15 und 18 geschlossen sind und Ventil 17 offen ist. Das Gas fließt folglich durch die Bypassleitung 16 direkt in den Einlaß der Membranpumpstufe 2. Sobald zum Beispiel der Druck im Prozeß hinreichend abgesenkt wurde, werden die Ventile 15 und 18 geöffnet und Ventil 17 geschlossen. Nun erfolgt der weitere Abpumpvorgang wie üblich durch die Schraubenpumpstufe 1.The valves 15 . 17 and 18 are controlled by a suitable controller (not shown) process, time and / or pressure-dependent. A typical Abpumpvorgang could be such that when pumping of atmospheric pressure valves first 15 and 18 are closed and valve 17 is open. The gas thus flows through the bypass line 16 directly into the inlet of the membrane pumping stage 2 , As soon as, for example, the pressure in the process has been lowered sufficiently, the valves become 15 and 18 opened and valve 17 closed. Now, the further pumping out as usual by the screw pumping stage 1 ,

Alternativ ist es auch möglich, auf das Ventil 18 zu verzichten. In diesem Falle ist auch ein zusätzlicher Gaseinlaß in die Schraubenpumpstufe 1 zur Spülung derselben bei geschlossenem Ventil 15 möglich. Letztere Variante ist zeichnungsmäßig nicht dargestellt, jedoch einfach anhand der Beschreibung nachzuvollziehen.Alternatively, it is also possible on the valve 18 to renounce. In this case, there is also an additional gas inlet into the screw pump stage 1 for flushing the same with the valve closed 15 possible. The latter variant is not shown in the drawing, but easy to understand from the description.

Auch eine Kombination der verschiedenen Bypassanordnungen und der verschiedenen Antriebsanordnungen ist erfindungsgemäß möglich.A combination of the various bypass arrangements and the various drive arrangements is possible according to the invention.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Wellenabdichtung an einem der Rotoren 7 der Schraubenpumpstufe 1, und zwar in der Ausführungsform mit zwei Wellendichtringen 21, 22 mit Zwischenvakuum. Dargestellt ist ein Rotor 7 mit einem Wellenansatz 20. Der zweite Rotor, die Lagerung sowie der Stator und alle anderen hier irrelevanten Komponenten sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. Die Abdichtung des Schöpfraums an der Welle 20 gegen Atmosphäre erfolgt hier durch zwei hintereinander geschaltete Dichtringe 21 und 22, die in einem Gehäuse 23 sitzen. Zwischen den Dichtringen 21, 22 wird über eine Öffnung 24 ein Zwischenvakuum angelegt, indem die Öffnung 24 über eine Leitung 25 mit dem Einlaß einer der Stufen der bevorzugt mehrstufig aufgebauten Membranpumpstufe 2 (hier nicht dargestellt) Verbunden wird. Dadurch erfolgt in der Praxis eine stufenweise Anhebung des Drucks von Vakuum bis Atmosphäre über die Dichtringe 21, 22, was zu einer besseren Dichtigkeit und längeren Lebensdauer der Dichtringe 21, 22 beiträgt. 4 shows a schematic representation of a shaft seal on one of the rotors 7 the screw pumping stage 1 , in the embodiment with two shaft sealing rings 21 . 22 with intermediate vacuum. Shown is a rotor 7 with a wave approach 20 , The second rotor, the bearing and the stator and all other irrelevant components are not shown for simplicity. The sealing of the suction space on the shaft 20 against atmosphere takes place here by two successively connected sealing rings 21 and 22 in a housing 23 to sit. Between the sealing rings 21 . 22 will have an opening 24 an intermediate vacuum applied by the opening 24 over a line 25 with the inlet of one of the stages of the preferred multi-stage diaphragm pumping stage 2 (not shown here) Connected. As a result, in practice, a stepwise increase of the pressure from vacuum to atmosphere via the sealing rings takes place 21 . 22 , resulting in better sealing and longer life of the sealing rings 21 . 22 contributes.

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  • DE 19522560 A [0011, 0020] DE 19522560 A [0011, 0020]

Claims (10)

Vakuumpumpe mit einer ersten Pumpstufe (1) und einer zweiten Pumpstufe (2), wobei die beiden Pumpstufen (1, 2) hintereinander geschaltet sind und die erste Pumpstufe (1) vakuumseitig und die zweite Pumpstufe (2) druckseitig angeordnet ist und wobei die zweite Pumpstufe (2) als Membranpumpstufe mit mindestens einer Membranpumpeneinheit (10) ausgeführt und so dimensioniert ist, daß die zweite Pumpstufe (2) mindestens 20% des Saugvermögens der Vakuumpumpe bei Atmosphärendruck (Normalbedingungen) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Pumpstufe (1) als Schraubenpumpstufe mit mindestens einer Schraubenpumpeneinheit (5) ausgeführt ist, wobei, vorzugsweise, die Schraubenpumpeneinheit (5) ein Paar schraubenförmiger Rotoren (7a, 7b) aufweist, die nur einseitig gelagert sind.Vacuum pump with a first pumping stage ( 1 ) and a second pumping stage ( 2 ), whereby the two pump stages ( 1 . 2 ) are connected in series and the first pumping stage ( 1 ) vacuum side and the second pumping stage ( 2 ) is arranged on the pressure side and wherein the second pumping stage ( 2 ) as a membrane pumping stage with at least one membrane pump unit ( 10 ) and dimensioned so that the second pumping stage ( 2 ) provides at least 20% of the suction capacity of the vacuum pump at atmospheric pressure (normal conditions), characterized in that the first pump stage ( 1 ) as a screw pumping stage with at least one screw pump unit ( 5 ), wherein, preferably, the screw pump unit ( 5 ) a pair of helical rotors ( 7a . 7b ), which are mounted only on one side. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle medienberührten Oberflächen der Vakuumpumpe eine hohe chemische Beständigkeit gegen aggressive gepumpte Medien aufweisen, wobei, vorzugsweise, die Membranpumpstufe (2) als Chemie-Membranpumpstufe ausgeführt ist, und/oder wobei, vorzugsweise, die medienberührten Oberflächen der Schraubenpumpstufe (1) mindestens zum Teil aus chemisch beständigen Fluorkunststoffen oder anderen chemisch beständigen Kunststoffen oder aus Metall mit chemisch beständiger Beschichtung aus derartigen Kunststoffen oder aus Keramik oder aus Kombinationen dieser Werkstoffe bestehen.Vacuum pump according to Claim 1, characterized in that all surfaces of the vacuum pump which come into contact with the medium have a high chemical resistance to aggressive pumped media, wherein, preferably, the membrane pump stage ( 2 ) is designed as a chemical membrane pumping stage, and / or wherein, preferably, the media-contacting surfaces of the screw pumping stage ( 1 ) consist at least partially of chemically resistant fluoroplastics or other chemically resistant plastics or metal with chemically resistant coating of such plastics or ceramic or combinations of these materials. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei betriebsbereiter Vakuumpumpe die Schraubenpumpeneinheit (5) so angeordnet ist, daß ihr Gasaustritt (9) an oder nahe der tiefsten Stelle eines im Gehäuse (6) gebildeten Schöpfraums liegt und/oder daß die Schraubenpumpstufe (1) einen Einlaß für ein Spülgas, insbesondere Luft aufweist, wobei die Zugabe von Spülgas in die Schraubenpumpstufe (1) bevorzugt entweder an deren Gaseintritt (8) oder in der Nähe der Wellenabdichtung, im Falle einer Wellenabdichtung ohne Dichtring(-e) bevorzugt auf der Atmosphärenseite der Wellenabdichtung erfolgt.Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that, when the vacuum pump is ready for operation, the screw pump unit ( 5 ) is arranged so that its gas outlet ( 9 ) at or near the lowest point of a housing ( 6 ) and / or that the screw pumping stage ( 1 ) has an inlet for a purge gas, in particular air, wherein the addition of purge gas in the screw pumping stage ( 1 ) preferably either at the gas inlet ( 8th ) or in the vicinity of the shaft seal, in the case of a shaft seal without sealing ring (-e) is preferably carried out on the atmosphere side of the shaft seal. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenpumpstufe (1) und die Membranpumpstufe (2) jeweils eine eigene Antriebseinheit (3, 4; 11) mit einem Antriebsmotor (3), vorzugsweise ausgeführt als elektronisch kommutierter Gleichspannungsmotor, und ggf. mit einem Kraftübertragungsmittel (4) zur Drehzahländerung aufweist, daß die beiden Antriebseinheiten (3, 4; 11) mechanisch voneinander unabhängig sind und daß mindestens eine der beiden Antriebseinheiten (3, 4; 11) drehzahlvariabel ausgeführt ist, wobei, vorzugsweise, eine programmierbare Steuerung vorgesehen ist und über die Steuerung die Drehzahl von Schraubenpumpstufe (1) und Membranpumpstufe (2) derart einstellbar ist, daß in Abhängigkeit von verschiedenen Prozeßparametern, insbesondere vom Ansaugdruck und/oder von der Zeit und/oder vom Druck zwischen den Pumpstufen (1, 2), ein optimales Saugvermögen bzw. ein optimales Endvakuum bei optimaler Leistungsaufnahme erreicht wird.Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that the screw pumping stage ( 1 ) and the membrane pumping stage ( 2 ) each have their own drive unit ( 3 . 4 ; 11 ) with a drive motor ( 3 ), preferably designed as an electronically commutated DC motor, and optionally with a power transmission means ( 4 ) to the speed change that the two drive units ( 3 . 4 ; 11 ) are mechanically independent of each other and that at least one of the two drive units ( 3 . 4 ; 11 ) is designed variable in number of revolutions, wherein, preferably, a programmable controller is provided and the speed of screw pumping stage via the controller ( 1 ) and membrane pumping stage ( 2 ) is adjustable such that, depending on various process parameters, in particular the suction pressure and / or the time and / or the pressure between the pumping stages ( 1 . 2 ), an optimal pumping speed or an optimal final vacuum with optimum power consumption is achieved. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenpumpstufe (1) und die Membranpumpstufe (2) von einer gemeinsamen Antriebseinheit (3, 4) mit nur einem Antriebsmotor (3), vorzugsweise ausgeführt als elektronisch kommutierter Gleichspannungsmotor, angetrieben werden, wobei, vorzugsweise, zwischen dem gemeinsamen Antriebseinheit (3) und mindestens einer der Pumpstufen (1, 2) ein Kraftübertragungsmittel (4) zur Drehzahländerung vorgesehen ist, so daß die Schraubenpumpstufe (1) und die Membranpumpstufe (2) mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind, und/oder wobei, vorzugsweise, die Antriebseinheit (3, 4) drehzahlvariabel ausgestaltet ist und/oder das Kraftübertragungsmittel (4) eine variable Übersetzung aufweist.Vacuum pump according to one of claims 1 to 3, characterized in that the screw pumping stage ( 1 ) and the membrane pumping stage ( 2 ) from a common drive unit ( 3 . 4 ) with only one drive motor ( 3 ), preferably embodied as an electronically commutated DC motor, are driven, wherein, preferably, between the common drive unit ( 3 ) and at least one of the pump stages ( 1 . 2 ) a power transmission means ( 4 ) is provided for speed change, so that the screw pumping stage ( 1 ) and the membrane pumping stage ( 2 ) are operable at different speeds, and / or wherein, preferably, the drive unit ( 3 . 4 ) is variable in speed and / or the power transmission means ( 4 ) has a variable translation. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenpumpstufe (1) ein höheres Nennsaugvermögen als die Membranpumpstufe (2) aufweist, daß zwischen dem Auslaß der Schraubenpumpstufe (1) und dem Einlaß der Membranpumpstufe (2) eine Vorrichtung zur Vermeidung von Überdruck (14) angeordnet ist und daß bei einem bestimmten Überdruck in der Verbindung zwischen dem Auslaß der Schraubenpumpstufe (1) und dem Einlaß der Membranpumpstufe (2) die Vorrichtung (14) den Auslaß der Schraubenpumpstufe (1) mit dem Außenraum oder mit dem Gasaustritt (12) der Membranpumpstufe (2) verbindet.Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that the screw pumping stage ( 1 ) a higher nominal absorbency than the membrane pumping stage ( 2 ), that between the outlet of the screw pumping stage ( 1 ) and the inlet of the membrane pumping stage ( 2 ) a device for preventing overpressure ( 14 ) is arranged and that at a certain overpressure in the connection between the outlet of the screw pump stage ( 1 ) and the inlet of the membrane pumping stage ( 2 ) the device ( 14 ) the outlet of the screw pumping stage ( 1 ) with the outside space or with the gas outlet ( 12 ) of the membrane pumping stage ( 2 ) connects. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bypassanordnung (15–18) vorgesehen ist und daß über die Bypassanordnung (15–18) der Gaseintritt (8) der Schraubenpumpstufe (1) mit dem Gaseintritt (9) der Membranpumpstufe (2) verbindbar ist, so daß bei hohem Ansaugdruck das geförderte Gas über die Bypassanordnung (15– 18) an der Schraubenpumpstufe (1) vorbei direkt von der Membranpumpstufe (2) gefördert werden kann, wobei, vorzugsweise, die Bypassanordnung (15–18) eine vorzugsweise ansteuerbare Ventilanordnung (15, 17, 18) aufweist, durch die die Bypassanordnung (15– 18) schaltbar ist, wobei, weiter vorzugsweise, die Bypassanordnung (15–18) eine Steuerung zur Ansteuerung der Ventilanordnung (15, 17, 18) aufweist.Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that a bypass arrangement ( 15 - 18 ) is provided and that via the bypass arrangement ( 15 - 18 ) the gas inlet ( 8th ) of the screw pumping stage ( 1 ) with the gas inlet ( 9 ) of the membrane pumping stage ( 2 ) is connectable, so that at high intake pressure, the pumped gas via the bypass arrangement ( 15 - 18 ) at the screw pump stage ( 1 ) passing directly from the diaphragm pump stage ( 2 ), wherein, preferably, the bypass arrangement ( 15 - 18 ) a preferably controllable valve arrangement ( 15 . 17 . 18 ), by which the bypass arrangement ( 15 - 18 ), wherein, more preferably, the bypass arrangement ( 15 - 18 ) a controller for controlling the valve arrangement ( 15 . 17 . 18 ) having. Vakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassanordnung (15–18) derart ausgestaltet ist, daß der Gaseintritt (8) der Schraubenpumpstufe (1) bei aktivierter Bypassanordnung (15–18) über eine Düse mit kleinem Querschnitt zum Außenraum oder zu einem Spülgasanschluß geöffnet ist.Vacuum pump according to claim 7, characterized in that the bypass arrangement ( 15 - 18 ) is configured such that the gas inlet ( 8th ) of the screw pumping stage ( 1 ) when the bypass arrangement is activated ( 15 - 18 ) is opened via a nozzle with a small cross section to the outside or to a purge gas connection. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Schöpfraums der Schraubenpumpeneinheit (5) an den Wellen (20) der schraubenförmigen Rotoren (7) gegen Atmosphäre mit einem oder mehreren Wellendichtringen (21, 22) erfolgt, wobei diese bevorzugt trokenlaufend, also ohne Schmiermittel, ausgebildet sind, wobei, vorzugsweise, an mindestens einer Welle (20) der Schraubenpumpeneinheit (5) mindestens zwei Wellendichtringe (21, 22) hintereinander angebracht sind, wobei bevorzugt zwischen mindestens einem Paar von Wellendichtringen (21, 22) ein Unterdruck erzeugbar ist, dessen Druckwert zwischen dem Druckwert am Gasaustritt (9) der Schraubenpumpstufe (1) und Atmosphärendruck liegt, und wobei, vorzugsweise, dieser Unterdruck von der Membranpumpstufe (2) erzeugt wird.Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing of the suction chamber of the screw pump unit ( 5 ) on the waves ( 20 ) of the helical rotors ( 7 ) against the atmosphere with one or more shaft seals ( 21 . 22 ), wherein these are preferably dry-running, ie without lubricant, are formed, wherein, preferably, on at least one shaft ( 20 ) of the screw pump unit ( 5 ) at least two shaft seals ( 21 . 22 ) are mounted one behind the other, wherein preferably between at least one pair of shaft sealing rings ( 21 . 22 ), a negative pressure is generated whose pressure value between the pressure value at the gas outlet ( 9 ) of the screw pumping stage ( 1 ) and atmospheric pressure, and where, preferably, this negative pressure from the membrane pumping stage ( 2 ) is produced. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Schöpfraums der Schraubenpumpeneinheit (5) an den Wellen (20) gegen Atmosphäre ohne Wellendichtringe (20, 21), lediglich über Spaltdichtungen erfolgt.Vacuum pump according to one of claims 1 to 9, characterized in that the sealing of the suction chamber of the screw pump unit ( 5 ) on the waves ( 20 ) against atmosphere without shaft seals ( 20 . 21 ), only via gap seals.
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