DE68903862T2

DE68903862T2 - Vakuumpumpenanlagen.

Info

Publication number: DE68903862T2
Application number: DE8989303473T
Authority: DE
Inventors: Nigel Thomas Metcalfe Dennis; David Alan Turrell
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1988-04-12
Filing date: 1989-04-07
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2009-04-08
Also published as: EP0337681A2; DE68903862D1; EP0337681A3; US4934908A; JP2697893B2; EP0337681B1; JPH0230989A; GB8808608D0; ES2036342T3

Description

Diese Erfindung betrifft Vakuumpumpensysteme und im besonderen eine Kombination mechanischer Zwischenpumpen und mechanischer Vorvakuumpumpen zum Evakuieren eines Raumes.
Eine typische schmierölfreie oder trockene Pumpe ist in unserer UK-Patentschrift Nr. 2 088 957 offenbart und beschrieben. Eine solche Pumpe weist drei Pumpenkammern auf, von denen die beiden pumpenauslaßseitigen Kammern ineinandergreifende Rotoren der Klauenbauart aufweisen und eine dritte Kammer an der Einlaßseite der Pumpe ineinandergreifende Rotoren der Roots-Bauart enthält. Zwei Wellen zum Antrieb der Rotorpaare sind an beiden Seiten der Pumpe durch Endlager drehbar gelagert, die in entsprechenden abgedichteten Gehäusen untergebracht sind, und sind für die erforderliche Synchronisation der Drehbewegung durch ineinandergreifende Zahnräder miteinander gekuppelt, die in einem Gehäuse an einem Ende des Pumpengehäuses gekapselt sind; eine der Wellen ragt zur Kupplung mit einer Antriebsmaschine wie beispielsweise einem Elektromotor aus dem Gehäuse heraus.
Ölfreie mechanische Pumpen dieser Bauart haben einen hohen volumetrischen Pumpenwirkungsgrad und sind im allgemeinen in der Lage, einen Raum auf einen Druck in der Größenordnung 10&supmin;² Torr (1 Torr = 133,3 Pa) zu evakuieren.
Das Fehlen von Schmiermittel in den Pumpenkammern solcher Pumpen macht sie für Anwendungsfälle besonders geeignet, bei welchen ein extrem niedriger Grad an Verunreinigung, insbesondere durch Getriebeschmiermittel und Endlagerschmiermittel, wesentlich ist und gleichzeitig ein niedriger Enddruck erreicht werden muß.
Zum Erreichen einer hohen Pumpkapazität und von Drücken unter 10&supmin;² Torr, beispielsweise von Drücken im Bereich von 10&supmin;³ Torr, ist es vorgeschlagen worden - siehe beispielsweise die US-Patentschrift Nr. 2 950 046 -, eine solche ölfreie mechanische Vakuumpumpe in Verbindung mit einer Zwischenpumpe bekannter Bauart zu verwenden. Eine solche Zusatzpumpe, die im allgemeinen ebenfalls eine ölfreie Pumpe ist, steht mit dem zu evakuierenden Raum in Verbindung, und ihr ist eine ölfreie Pumpe der in dem obigen UK-Patent beschriebenen Bauart vorgeschaltet.
Zusatzpumpen bekannter Bauart können im allgemeinen eine Konstruktion ähnlich derjenigen der oben beschriebenen ölfreien mechanischen Pumpen haben. Solche Pumpen weisen typischerweise mindestens eine Kammer mit ineinandergreifenden Rotorpaaren auf, die auf Wellen montiert und an den entgegengesetzten Pumpenenden in Endlagern, die in entsprechenden abgedichteten Gehäusen gekapselt sind, drehbar gelagert sind. Ein solches Gehäuse beherbergt auch ineinandergreifende Zahnräder zur Erzeugung der erforderlichen synchronisierten Drehbewegung der Wellen, und beide Gehäuse enthalten Schmiermittel für die Zahnräder und für die Wellenlager.
Um eine schnelle Evakuierung der Pumpe und des Raumes sicherzustellen, sind innere Gaskanäle zwischen jedem Gehäuse und der Pumpenkammer bzw. den Pumpenkammern der Pumpe vorgesehen. Diese Kanäle sind verwunden und abgeschirmt, um sicherzustellen, daß Schmiermittel und Verunreinigungen aus den Gehäusen an einem Eintritt in die Pumpenkammer gehindert werden.
Ein schwerer Nachteil solcher Zusatzpumpen beruht auf deren Unfähigkeit, das Eindringen von Schmiermittel, und insbesondere von Schmiermitteldampf, durch diese Kanäle hindurch und in die Pumpenkammern der Pumpe hinein vollständig zu stoppen. Dies gilt insbesondere für Schmiermittel wie beispielsweise Perfluorpolyäther (PFPE)-Schmiermittel. Solche Schmiermittel können schließlich den zu evakuierenden Raum erreichen, nämlich durch eine Kombination von Rückdiffusion und Übergang von Rotor zu Rotor, und dadurch den Grad der Verunreinigung in dem Raum erheblich steigern. In vielen Fällen, insbesondere bei Anwendungsfällen, die eine saubere Umgebung erfordern, kann das Ausmaß der so in den evakuierten Raum übertragenen Verunreinigung unannehmbare Werte erreichen.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Verringerung der Verunreinigungsmenge in dem evakuierten Raum, insbesondere durch Schmiermittel und andere in den Lagergehäusen solcher Pumpen vorhandenen Verunreinigungen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine mögliche oder tatsächliche Verunreinigung des zu evakuierenden Raumes stark verringert werden kann, wenn die Lagergehäuse nicht einfach mit dem Zusatzpumpenauslaß bzw. dem mechanischen Pumpeneinlaß und folglich mit der ersten Stufe der mechanischen Pumpe verbunden sind, wie das bei dem in der US-Patentschrift 2 950 046 beschriebenen Pumpensystem der Fall ist, sondern vielmehr mit einer nachfolgenden Stufe der mechanischen Pumpe verbunden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Vakuumpumpensystem mit einer ersten Vakuumpumpe, die mindestens eine Pumpenkammer mit Öffnungsmittel zum Anschluß an einen zu evakuierenden Raum und mechanische Pumpmittel aufweist, die auf mindestens einer Welle montiert sind, deren Lager und/oder Getriebe in einem Gehäuse untergebracht sind, und mit einer zweiten Vakuumpumpe vorgesehen, die eine erste Pumpenkammer mit Mitteln zur Kommunikation mit einer (oder der) Kammer der ersten Pumpe und mindestens eine weitere Pumpenkammer aufweist, wobei Mittel zur Kommunikation zwischen dem Gehäuse der ersten Pumpe und einer weiteren Pumpenkammer der zweiten Pumpe vorgesehen sind.
In einem solchen System kann die "erste" Vakuumpumpe allgemein als Zusatzpumpe und die "zweite" Vakuumpumpe allgemein als Vorvakuumpumpe im Zusammenhang mit der Beschreibungseinleitung verstanden werden.
Vorzugsweise sind die mechanischen Pumpmittel der ersten Vakuumpumpe ineinandergreifende, auf Wellen innerhalb der Kammer montierte Rotoren.
Geeigneterweise ist die erste Pumpe eine einstufige ölfreie mechanische Pumpe mit ineinandergreifenden Rotoren der Roots- Bauart; zusätzlich ist die Vorvakuumpumpe vorzugsweise eine ölfreie mechanische Vakuumpumpe.
Um zu verhindern, daß Öl oder Schmiermittel in die Pumpenkammer(n) eindringen können, sollte das Gehäuse insbesondere der ersten Pumpe im wesentlichen gegen die Pumpenkammer bzw. Kammern abgedichtet sein. In bevorzugten Ausführungsformen hat die erste Pumpe nur eine Pumpenkammer.
Im Hinblick auf die zweite Pumpe ist zu bevorzugen, daß jede Pumpenkammer ineinandergreifende Rotorpaare enthält.
In bevorzugten Ausführungsformen hat die zweite Pumpe eine erste Pumpenkammer und zwei, besonders vorzugsweise drei weitere Pumpenkammern. Bei solchen Ausführungsformen enthält die erste Pumpenkammer vorzugsweise Rotorpaare der Roots-Bauart, und die zwei oder drei weiteren Pumpenkammern enthalten jeweils ineinandergreifende Rotorpaare der Klauen-Bauart.
Geeigneterweise hat die zweite Pumpe Rotoren der Klauen-Bauart, die in benachbarten Pumpenkammern in entgegengesetzten Winkelrichtungen montiert sind, um die Stufenzwischenverbindungen in der in unserem UK-Patent 2 088 957 beschriebenen und beanspruchten Weise zu vereinfachen.
Zweckmäßigerweise weist das System nach der Erfindung, wenn die Lager und/oder Getriebe der mechanischen Pumpmittel der ersten Pumpe in mehr als einem Gehäuse untergebracht sind, für jedes Gehäusemittel zur Kommunikation mit einer weiteren Pumpenkammer der zweiten Pumpe auf.
Zur Verdeutlichung der Erfindung wird nun auf das nachfolgende Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende schematische Zeichnung Bezug genommen, die eine perspektivische Darstellung eines Vakuumpumpensystems nach der Erfindung zeigt.
Gemäß der Zeichnung weist das in der Zeichnung dargestellte Pumpensystem eine erste Pumpe in Form einer ölfreien mechanischen Zusatzpumpe auf, die allgemein mit 2 bezeichnet ist und einen mit einem Flansch versehenen Einlaß 4 aufweist, der für den Anschluß an einen (nicht dargestellten) zu evakuierenden Raum ausgebildet ist. Der Einlaß 4 steht außerdem mit einer Pumpenkammer 6 in Verbindung, die ein einziges Paar ineinandergreifender Rotoren 8 der Roots-Bauart enthält, die ein Druckverhältnis in der Größenordnung von 30 erzeugen können. Die Pumpe 2 ist in Verbindung mit einer zweiten Pumpe gemäß dem System nach der Erfindung in der Lage, ein relativ sauberes Vakuum in dem Raum in der Größenordnung von 10&supmin;³ Torr zu erzeugen.
Die ineinandergreifenden Rotoren 8 der Pumpe 2 sitzen auf (nicht dargestellten) Wellen; die beiden Wellen sind in herkömmlicher Weise an einem Ende der Pumpe mittels geschmierter Lager drehbar gelagert, die in einem Gehäuse 10 gekapselt sind. Eine außerdem im Gehäuse 10 untergebrachte Wellendichtung ist so ausgebildet, daß sie das verwendete Schmiermittel zusammen mit aus der Wechselwirkung des Schmiermittels mit den Lagern herrührenden Verunreinigungen sowie anderen aus der Zersetzung des Schmiermittels nach längerem Gebrauch herrührenden Verunreinigungen zurückhält und daran hindert, die Pumpenkammer 6 zu erreichen.
Am entgegengesetzten Ende der Zusatzpumpe 2 beherbergt ein relativ größeres Gehäuse 12 ähnliche Lager und eine Wellendichtung für die anderen Enden der Rotorwellen zusammen mit den in Eingriff stehenden Zahnrädern, die zum Antrieb der Wellen in den gewählten Winkelrichtungen dienen. Im Gehäuse 12 steht eine der Rotorwellen über eine Kupplung mit der Welle einer elektrischen Antriebsmaschine 14 für die Pumpe 2 in Verbindung. Das Gehäuse 12 beherbergt außerdem Dichtungsmittel für die Motorwelle gegen das Eindringen von Außenluft in das Gehäuse 12, das im normalen Betrieb unter Vakuum steht.
Das Vorvakuum für die Zusatzpumpe 2 wird durch eine zweite Pumpe in Form einer ölfreien mechanischen Pumpe erzeugt, die allgemein mit 20 bezeichnet ist. Die Pumpe 20 hat einen mit einem Flansch versehenen Einlaß 22, der für die Verbindung mit einem (nicht dargestellten) Auslaß der Pumpe 2 ausgebildet ist und mit der ersten Pumpenkammer 24 der Pumpe 20 in Verbindung steht.
Die Pumpe 20, die im wesentlichen die in unserer UK-Patentschrift 2 088 957 offenbarte und beschriebene Form hat, hat vier ölfreie Pumpenkammern 24, 26, 28 und 30. Die erste Kammer 24 enthält ein ineinandergreifendes Paar von Rotoren 32 der Roots-Bauart, während die weiteren Kammern 26, 28 und 30 ineinandergreifende Rotorpaare 34, 36 und 38 der Klauen-Bauart enthalten.
Alle Klauen-Rotorpaare der Pumpe 20 sind, wie auch in der in unserer UK-Patentschrift 2 088 957 offenbarten und beschriebenen Pumpe, in umgekehrter Orientierung auf Wellen montiert, d.h. in entgegengesetzten Winkelrichtungen, um den volumetrischen Pumpenwirkungsgrad zu optimieren und insbesondere um die Stufenzwischenverbindungen und den wirksamen Gasübertritt innerhalb der Pumpe zu vereinfachen.
Ähnlich der Anordnung der Pumpe 2 sind die Rotorwellen 39 der Pumpe 20 in Lagern gelagert und mit in einem geschlossenen Gehäuse 40 untergebrachten Wellendichtungen abgedichtet; ein geschlossenen Gehäuse 42 am entgegengesetzten Ende der Pumpe 20 beherbergt Lager und Wellendichtungen für die anderen Enden der Wellen sowie ineinandergreifende Zahnräder 44 zum Antrieb der Wellen in der gewählten Winkelrichtung über einen Elektromotor 46.
Wie auch in der oben genannten UK-Patentschrift beschrieben und beansprucht, sind die Kammern der Pumpe 20 miteinander durch Öffnungen miteinander verbunden, die in den die Pumpenkammern, in denen die Rotoren angeordnet sind, trennenden Wänden gebildet sind.
Zur Verringerung des Verunreinigungspegels in der Kammer 6 und/oder in dem zu evakuierenden Raum, beispielsweise durch Übertritt von Verunreinigungen aus den Gehäusen 10 und 12 der Pumpe 2, sind die inneren Gasübertrittsöffnungen in den Pumpenkammerwänden zwischen den Stufen 26 und 28 der Pumpe 20 durch herkömmliche Mittel so ausgebildet, daß sie zu äußeren Öffnungen 50 bzw. 52 im äußeren Pumpengehäuse verlaufen. Die Öffnung 50 stellt folglich einen Einlaß für die vorletzte Stufe 28 der Pumpe 20 dar, während die Öffnung 52 einen Einlaß der letzten Stufe 30 der Pumpe bildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Öffnung 52 in geeigneter Weise abgeschlossen. Der Einlaß 50 ist jedoch durch irgendeine geeignete Hochvakuumleitung 54 mit den Lagegehäusen 10 und 12 der Pumpe 2 verbunden.
Im Betrieb der Pumpe 2 und 20 wird Dampf, beispielsweise von in den Gehäusen 10 und 12 vorhandenen Schmiermitteln, in die Pumpenkammer 28 der Pumpe 20 abgesaugt und anschließend in die Stufe 30 der Pumpe 20 und schließlich in den Pumpenauslaß befördert. Auf diese Weise werden das Schmiermittel und andere Verunreinigungen an einem Eintritt in die Pumpenkammer 6 sowie in den von der Pumpe 2 evakuierten Raum durch Diffusion und/oder Rotorübertritt gehindert und der Pegel solcher Verunreinigungen in der Pumpe 2 und in dem evakuierten Raum wird verringert.
Durch Eintritt in die vorletzte Kammer 28 der Pumpe 20 kann solches Schmiermittel bzw. eine solche Verunreinigung den Grad des Vakuums, der durch die Kombination der Pumpe 2 und der Pumpe 20 erzeugt werden kann, nicht merklich beeinträchtigen, und die Gesamtpumpsauberkeit der Pumpenanordnung kann im allgemeinen verbessert werden. Es hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung aus den Gehäusen 10 und 12 der Pumpe 2 abgesaugte Verunreinigungen den Pegel der in dem evakuierten Raum nachgewiesenen Verunreinigung um einen Faktor 30 verbessert werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Leitung 54 über den Einlaß 52 bei abgeschlossenen Einlaß 50 mit der Pumpenkammer 30 der Pumpe 20 verbunden werden. In gleicher Weise, obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, kann die Leitung 54 mittels eines geeigneten Einlasses und bei abgeschlossenen Öffnungen 50 und 52 mit der Pumpenkammer 26 verbunden sein.
Es ist klar, daß, obwohl die Erfindung mit besonderem Bezug auf eine ölfreie Zusatzpumpe in Verbindung mit einer ölfreien mechanischen Vorvakuumpumpe beschrieben worden ist, verringerte Verunreinigungspegel in einem zu evakuierenden Raum trotzdem auch erhältlich sind, wenn die Vorvakuumpumpe keine ölfreie mechanische Vakuumpumpe ist.
Ebenso ist es klar, daß, während beide Gehäuse 10 und 12 der Zusatzpumpe 2 der vorliegenden Erfindung von der Pumpe 20 abgepumpt werden, eine gewisse Verringerung der Verunreinigung, möglicherweise auf einen annehmbaren Pegel, auch durch Absaugen nur eines dieser Gehäuse erreicht werden kann.

Claims

1. Vakuumpumpensystem mit einer ersten Vakuumpumpe (2), die mindestens eine Pumpenkammer (6) mit Öffnungsmitteln (4) zum Anschluß an einen zu evakuierenden Raum und mechanische Pumpmittel (8) aufweist, die auf mindestens einer Welle montiert sind, deren Lager und/oder Getriebe in einem der Pumpenkammer (6) zugeordneten Gehäuse (10) untergebracht sind, und mit einer zweiten Vakuumpumpe (20) mit einer ersten Pumpenkammer (24) mit Mitteln zur Kommunikation mit einer (oder der) Kammer (6) der ersten Pumpe (2) und mit mindestens einer weiteren Pumpenkammer (26, 28 ,30), dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (54) zur Kommunikation zwischen dem Gehäuse (10) der ersten Pumpe (2) und einer weiteren Pumpenkammer (26, 28, 30) der zweiten Pumpe (20) vorgesehen sind.

2. System nach Anspruch 1, wobei die mechanischen Pumpmittel der ersten Vakuumpumpe ineinandergreifende, auf Wellen innerhalb der Kammer (6) montierte Rotoren sind.

3. System nach Anspruch 2, wobei die erste Pumpe (2) eine einstufige ölfreie mechanische Pumpe ist, die ineinandergreifende Rotoren der Roots-Bauart aufweist.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Pumpe (20) eine ölfreie mechanische Vakuumpumpe ist.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das Gehäuse (10) der ersten Pumpe (2) gegen die Pumpenkammer bzw. die Kammern (6) im wesentlichen abgedichtet ist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die erste Pumpe (2) eine Pumpenkammer (6) aufweist.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem jede Pumpenkammer (24, 26, 28, 30) der zweiten Pumpe (20) ineinandergreifende Rotorpaare (32, 34, 36, 38) enthält.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die zweite Pumpe (20) eine erste Pumpenkammer (24) und drei weitere Pumpenkammern (26, 28, 30) aufweist.

9. System nach Anspruch 8, in welchem die erste Pumpenkammer (24) ineinandergreifende Rotorpaare (32) der Roots-Bauart und die weiteren Pumpenkammern (26, 28, 30) jeweils ineinanergreifende Rotorpaare (34, 36, 38) der Klauen-Bauart aufweisen.

10. System nach Anspruch 8, in welchem die ineinandergreifenden Rotorpaare (34, 36, 38) der Klauen-Bauart in aufeinanderfolgenden Pumpenkammern (26, 28, 30) in entgegengesetzten Winkelrichtungen montiert sind.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem, wenn die Lager und/oder Getriebe der mechanischen Pumpmittel der ersten Pumpe (2) in mehr als einem Gehäuse (10) untergebracht sind, für jedes Gehäuse (10) Mittel zur Kommunikation mit einer weiteren Pumpenkammer (26, 28, 30) der zweiten Pumpe (20) vorgesehen sind.