EP0394720B1 - Pumpe zur Förderung von Gasen und zur Erzeugung eines Differenzdruckes - Google Patents
Pumpe zur Förderung von Gasen und zur Erzeugung eines Differenzdruckes Download PDFInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04C27/00—Sealing arrangements in rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
- F04C27/008—Sealing arrangements in rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids for other than working fluid, i.e. the sealing arrangements are not between working chambers of the machine
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- F04C21/00—Oscillating-piston pumps specially adapted for elastic fluids
- F04C21/002—Oscillating-piston pumps specially adapted for elastic fluids the piston oscillating around a fixed axis
Definitions
- the invention relates to a pump for conveying gases and for generating a differential pressure. There are no oil or grease lubricated parts in the pump room, so it can be described as a completely dry pump.
- a hydrocarbon-free residual gas atmosphere is required in many cases when generating high vacuum and ultra high vacuum.
- dry pump systems such as e.g. Ion getter pumps, sublimation pumps, cryopumps and turbomolecular pumps are used.
- Ion getter pumps e.g. Ion getter pumps
- sublimation pumps e.g., sublimation pumps
- cryopumps e.g., cryopumps
- turbomolecular pumps e.g.
- Diaphragm pumps can also be used to create an oil-free vacuum. However, they have a very limited lifespan due to the strong deformation of the membrane. In addition, the series connection of several pump stages is complex.
- Sorption pumps can also be used, but only if a coolant such as e.g. liquid nitrogen, are sufficiently effective, and require regeneration and are therefore too cumbersome to use, so that they would be suitable for use in production - where automation of the pumping process is increasingly required today.
- a coolant such as e.g. liquid nitrogen
- GB-A-842 304 shows an oscillating pump in which the shaft is surrounded by a hollow body. This hollow body is used to hold parts for the pump system. However, it has no function with regard to the seal between the drive system and the pump chamber.
- the invention has for its object to construct a vacuum pump working against atmospheric pressure, which is completely dry in the pump chamber.
- the disadvantages of the existing dry pump systems should be avoided.
- surface sealing between moving and stationary parts is aimed for.
- the harmful space should be kept as small as possible in view of a high pressure ratio.
- the torsionally hollow body which is mechanically relatively weakly stressed, achieves a longer service life than other pumps with deformable parts, such as, for example, the diaphragm pump. There is an areal seal between moving and stationary parts, which minimizes gas backflow.
- the harmful space is very minimal, which favors the formation of a high pressure ratio.
- the constructions of multi-stage designs can be easily implemented.
- the pump can be used both to generate a negative pressure and to generate an excess pressure.
- the invention is described with reference to FIGS. 1 to 5 using the example of a two-stage pump.
- the indices a and b relate to the first and second pump stages, respectively.
- a torsion-proof hollow body 5 is attached in a vacuum-tight manner.
- This component can be, for example, a metal sleeve, a rubber or plastic hose or an axial shaft tube.
- a pot 6 which is attached to the side of the shaft 1 opposite the ball bearings 2.
- the shaft 1 is set into an oscillating rotational movement by a drive device, as is shown for example at 7 and in FIG. On the pot 6, which this movement of the wave performed, as can be seen from Fig.2, segment pistons 8a and 8b (two in the present example) are attached.
- the housing 9 is connected to the flange 4.
- Fixed segments 10a and 10b are located between the oscillating segment pistons 8a and 8b. These are centered by guide pins 11.
- the scoops 12a and 12b, in which the oscillating segment pistons 8a and 8b move, are each located between the fixed segments 10a and 10b.
- the shape of the segments was chosen in the present example. In principle, however, other shapes are also possible.
- Fig.1 two pump stages are shown in longitudinal section and in Fig. 5a1 to 5b2 in cross section.
- the gas inlet 13 connects the first pump stage to the lower pressure side, and the last pump stage connects to the higher pressure side via the gas outlet 14.
- the drive device 7 sets the shaft 1 in an oscillating rotational movement. This movement is transmitted via the pot 6 to the segment pistons 8a and 8b.
- the torsion-proof hollow body 5 hermetically seals the pump chamber from the drive elements.
- the fixed segments 10a and 10b are each in the same axial section as the movable segment pistons 8a and 8b. These perform an oscillating rotational movement between the fixed ones. With this movement, gas is extracted from the entrance of a stage to its exit.
- the gas to be pumped passes from the gas inlet 13 via the gas channels 15, which are located on the same axis as the guide pins 11, and via the inlet valves 16 into the scooping spaces 12a.
- the gas is conveyed into the second stage through the exhaust valves 17, the gas channels 18 and the intake valves.
- the guide pins 11 close the gas channels from the inlet valves 16 to the outlet valves 17th
- the segment pistons are connected in series so that an anti-cyclical sequence of movements takes place, i.e. if the pump chamber becomes smaller in the first stage, then the pump chamber increases in the second stage. Every half period of the oscillating movement corresponds to a full work cycle.
- the pistons 8a take the position as shown in Fig. 5a2. Accordingly, the pistons 8b of the second pumping stage assume the position as shown in Fig. 5b2.
- the gas was compressed in the first stage scoops 12a and conveyed into the scoops 12b via the outlet valves 17, the gas channels 18 and the second stage inlet valves.
- FIG. 1 Another embodiment is shown in FIG.
- the shaft is no longer floating on one end, but there is an additional bearing 19 on the other end.
- This construction guides the shaft more precisely and narrower gaps are possible in the pump chamber.
- the number of segment pistons and thus the number of pumping chambers as well as the number of pump stages can be varied. In particular, it is advantageous to vary the number of segment pistons from stage to stage in order to achieve optimal pump properties.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Pumpe zur Förderung von Gasen und zur Erzeugung eines Differenzdruckes. Im Pumpenraum befinden sich keine öl- oder fettgeschmierten Teile, so daß sie als vollkommen trockene Pumpe bezeichnet werden kann.
- Bei der Erzeugung von Hochvakuum und Ultrahochvakuum wird in vielen Fällen eine kohlenwasserstoff-freie Restgasatmosphäre verlangt. Hierfür werden meistens die bekannten sogenannten "trockenen" Pumpsysteme, wie z.B. Ionengetterpumpen, Sublimationspumpen, Kryopumpen und Turbomolekularpumpen, verwendet. Um eine Kontamination des Rezipienten mit Kohlenwasserstoffen mit Sicherheit auszuschließen, möchte man auch zur Vorevakuierung von Atmosphärendruck bis zum Einsatzpunkt dieser Pumpen ölgeschmierte oder ölgedichtete Vorpumpen vermeiden.
- Man hat versucht, mechanische Vorpumpen, wie z.B. Schieberpumpen, mit trocken laufenden Kohleschiebern oder Wälzkolbenpumpen einzusetzen, bei denen Kohlenwasserstoffe als Abdichtungsmittel im Förderraum vermieden werden. Solange für diese Pumpen geschmierte Lager verwendet werden, ist selbst bei Abdichtung der Lagerstellen gegenüber dem Förderraum durch übliche Dichtmanschetten keine vollkommene Sicherung gegen den Durchtritt des Schmiermittels gegeben. Eine einwandfreie Lösung erhält man nur, wenn eine wirklich gasdichte Abtrennung der Lagerung vom Schöpfraum erzielt wird.
- Membranpumpen können grundsätzlich auch zur Herstellung eines ölfreien Vakuums eingesetzt werden. Sie haben jedoch wegen der starken Verformung der Membrane eine sehr begrenzte Lebensdauer. Außerdem ist das Hintereinanderschalten mehrere Pumpstufen aufwendig.
- Weiterhin können Sorptionspumpen verwendet werden, die jedoch nur bei Einsatz eines Kühlmittels, wie z.B. flüssigen Stickstoffs, genügend wirksam sind, sowie einer Regenerierung bedürfen und deshalb in der Handhabung zu umständlich sind, als daß sie für den Einsatz in der Produktion - wo heute mehr und mehr eine Automation des Pumpprozesses gefordert wird - geeignet wären.
- In der GB-A-842 304 ist eine oszillierende Pumpe dargestellt, bei welcher die Welle von einem Hohlkörper umgeben ist. Dieser Hohlkörper dient zur Aufnahme von Teilen für das Pumpsystem. Er hat jedoch keine Funktion in Bezug auf die Abdichtung zwischen Antriebssystem und Pumpenraum.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegen Atmosphärendruck arbeitende Vakuumpumpe zu konstruieren, die im Pumpenraum vollkommen trocken ist. Die bei den vorhandenen trockenen Pumpsystemen bestehenden Nachteile sollen vermieden werden. Um den Gasrückstrom auf ein Minium zu begrenzen, wird eine Flächenabdichtung zwischen bewegten und feststehenden Teilen angestrebt. Der schädliche Raum soll im Hinblick auf ein hohes Druckverhältnis möglichst klein gehalten werden.
- Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Teile des 1. und 4. Patentanspruches gelöst. Die übrigen Ansprüche stellen weitere Ausgestaltungen der Erfindungen dar.
- Damit wird ein Pumpsystem vorgestellt, welches im Pumpenraum vollkommen trocken ist und bei welchem dieser gegen die Antriebseinheit hermetisch abgedichtet ist. Durch den mechanisch relativ schwach beanspruchten torsionsfähigen Hohlkörper wird eine höhere Lebensdauer als bei anderen Pumpen mit verformbaren Teilen, wie z.B. bei der Membranpumpe, erreicht. Zwischen bewegten und feststehenden Teilen ist eine flächenhafte Abdichtung vorhanden, wodurch Gasrückströmungen auf ein Minimum begrenzt sind.
- Der schädliche Raum ist sehr minimal, was die Ausbildung eines hohen Druckverhältnisses begünstigt. Die Konstruktionen von mehrstufigen Ausführungen können problemlos verwirklicht werden. Die Pumpe kann sowohl zur Erzeugung eines Unterdruckes als auch zur Erzeugung eines Überdruckes verwendet werden.
- Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 5 am Beispiel einer zweistufigen Pumpe beschrieben. Die Indizez a und b beziehen sich jeweils auf die erste bzw. zweite Pumpstufe.
- Es zeigen:
- Fig.1 Längsschnitt durch die Pumpe
- Fig.2 Montagezeichnung einer Pumpstufe
- Fig.3 Weitere Ausführungsform
- Fig.4 Die Antriebsseite als Kurbeltrieb ausgelegt.
- Fig.5a1/2 Einen Querschnitt in A-A zum Zeitpunkt t₁/t₂
- Fig.5b1/2 Einen Querschnitt in B-B zum Zeitpunkt t₁/t₂
- In Fig. 1 ist die Welle 1 an einem Ende mit zwei Kugellagern 2 fliegend gelagert, wobei die Kugellager selbst in den Flanschen 3 und 4 gehalten werden. Am anderen Ende der Welle ist ein torsionsfähiger Hohlkörper 5 vakuumdicht befestigt. Dieses Bauteil kann zum Beispiel eine Metallhülse, ein Gummi- oder Kunststoffschlauch oder ein axiales Wellenrohr sein. Über dem torsionsfähigen Hohlkörper 5 befindet sich ein Topf 6, welcher an der den Kugellagern 2 gegenüberliegenden Seite der Welle 1 befestigt ist. Die Welle 1 wird durch eine Antriebsvorrichtung, wie sie zum Beispiel bei 7 und in Fig.4 dargestellt ist, in eine oszillierende Rotationsbewegung versetzt. Auf den Topf 6, welcher diese Bewegung der Welle mit vollführt, sind, wie aus Fig.2 ersichtlich, Segmentkolben 8a und 8b (im vorliegenden Beispiel je zwei) befestigt. Mit dem Flansch 4 ist das Gehäuse 9 verbunden.
- Zwischen den oszillierenden Segmenkolben 8a und 8b befinden sich feststehende Segmente 10a und 10b (im vorliegenden Beispiel je zwei). Diese werden durch Führungsstifte 11 zentriert. Die Schöpfräume 12a und 12b, in welchen sich die oszillierenden Segmentkolben 8a und 8b bewegen, befinden sich jeweils zwischen den feststehenden Segmenten 10a und 10b.
- Für die Kolben 8a und 8b sowie für die feststehenden Teile 10a und 10b wurde im vorliegenden Beispiel die Form von Segmenten gewählt. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Formen möglich.
- In Fig.1 sind zwei Pumpstufen im Längsschnitt und in den Fig. 5a₁ bis 5b₂ im Querschnitt dargestellt. Der Gaseinlaß 13 verbindet die erste Pumpstufe mit der Seite des niedrigeren Druckes, und die letzte Pumpstufe ist über den Gaseauslaß 14 mit der Seite des höheren Druckes verbunden.
- Durch die Antriebsvorrichtung 7 wird die Welle 1 in eine oszillierende Rotationsbewegung versetzt. Diese Bewegung wird über den Topf 6 auf die Segmentkolben 8a und 8b übertragen. Durch den torsionsfähigen Hohlkörper 5 wird der Pumpenraum gegenüber den Antriebselementen hermetisch abgedichtet. Die feststehenden Segmente 10a und 10b befinden sich jeweils im gleichen axialen Abschnitt wie die beweglichen Segmentkolben 8a und 8b. Diese führen zwischen den feststehenden eine oszillierende Rotationsbewegung aus. Durch diese Bewegung findet eine Gasförderung vom Eingang einer Stufe zu deren Ausgang statt.
- Das zu pumpende Gas gelangt vom Gaseinlaß 13 über die Gaskanäle 15, welche sich auf der gleichen Achse wie die Führungsstifte 11 befinden, und über die Einlaßventile 16 in die Schöpfräume 12a. Während der Kompression wird das Gas über die Auslaßventile 17, die Gaskanäle 18 und die Einlaßventile der zweiten Stufe in diese befördert. Die Führungsstifte 11 verschließen die Gaskanäle von den Einlaßventilen 16 zu den Auslaßventilen 17.
- Die Segmentkolben sind so hintereinandergeschaltet, daß ein antizyklischer Bewegungsablauf stattfindet, d.h. verkleinert sich der Pumpenraum in der ersten Stufe, dann vergrößert sich der Pumpenraum in der zweiten Stufe. Jede halbe Periode der oszillierenden Bewegung entspricht einem vollen Arbeitstakt.
- Die einzelnen Schritte des Pumpvorganges sind in den Fig. 5a₁ bis 5b₂ dargestellt:
- Wenn die Kolben 8a sich zum Zeitpunkt t₁ in der Position befinden, wie in Fig.5a₁ dargestellt, gelangt das zu pumpende Gas über die Einlaßventile 16 in die Schöpfräume 12a. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die Kolben 8b der zweiten Pumpstufe in den Positionen, wie in Fig. 5b₁ dargestellt.
- Zum Zeitpunkt t₂ nehmen die Kolben 8a die Position ein, wie in Fig. 5a₂ dargestellt. Entsprechend nehmen die Kolben 8b der zweiten Pumpstufe die Position ein, wie in Fig. 5b₂ dargestellt.
- Durch die vorangegangene Kolbenbewegung wurde das Gas in den Schöpfräumen 12a der ersten Stufe verdichtet und über die Auslaßventile 17, die Gaskanäle 18 und die Einlaßventile der zweiten Stufe in deren Schöpfräume 12b befördert.
- Eine weitere Ausführungsform ist in Fig.3 dargestellt. Hier ist die Welle nicht mehr fliegend nur an einem Ende gelagert, sondern es befindet sich ein zusätzliches Lager 19 am anderen Ende. Dadurch ergibt sich eine Aufteilung des in Fig.1 mit 5 bezeichneten torsionsfähigen Hohlkörpers in zwei Teile 20 und 21. Durch diese Konstruktion wird die Welle präziser geführt und im Pumpenraum sind engere Spalte möglich.
- Die Anzahhl der Segmenkolben und somit die der Schöpfräume sowie die Anzahl der Pumpstufen können variiert werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Anzahl der Segmentkolben von Stufe zu Stufe zu variieren, um so optimale Pumpeigenschaften zu erreichen.
Claims (5)
- Pumpe zur Förderung von Gasen und zur Erzeugung eines Differenzdruckes mit einer Welle (1), welche mit einer Antriebseinheit (7) verbunden ist und durch diese in eine oszillierende Rotationsbewegung versetzt werden kann, wobei die Welle von einem Topf (6) umgeben ist, welcher seinerseits mit dem Pumpenraum in Verbindung steht und an einer beliebigen Stelle mit der Welle (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Welle (1) und dem Topf (6) ein torsionsfähiger Hohlkörper (5) zur hermetischen Abdichtung zwischen Antriebseinheit und Pumpenraum vorhanden ist.
- Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) an einem Ende fliegend gelagert ist, daß der Topf (6) am anderen Ende der Welle (1) befestigt ist, daß ebenfalls an diesem Ende der torsionsfähige Hohlkörper (5) vakuumdicht mit der Welle (1) verbunden ist und daß die andere Seite des torsionsfähigen Hohlkörpers (5) auf der Seite der Lagerung (2) der Welle (1) vakuumdicht mit einem Flansch (4) verbunden ist.
- Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) an beiden Enden gelagert ist, daß anstelle des Topfes ein Rohr (6) in der Mitte an der Welle (1) befestigt ist, daß der torsionsfähige Hohlkörper (5) aus zwei Teilen besteht, deren eine Seite jeweils in der Mitte der Welle (1) mit dieser vakuumdicht verbunden ist und deren andere Seiten vakuumdicht mit dem Flansch (4) bzw. mit dem Flansch (22) verbunden sind.
- Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Topf (6) bzw. Rohr, Kolben (8a, 8b), welche vorzugsweise die Form von Segmenten aufweisen, verbunden sind und daß sich zwischen diesen Kolben feststehende Teile (10a, 10b) welche ebenfalls vorzugweise die Form von Segmenten aufweisen, vorhanden sind, wobei zwischen den Kolben (8a, 8b) und den feststehenden Teilen (10,a, 10b) Schöpfräume (12a, 12b) entstehen.
- Pumpe nach Anspruch (4), dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Flächen (23) der feststehenden Teile (10a, 10b) Gaseinlaßventile (16) und Gasauslaßventile (17) befinden, durch welche das zu pumpende Gas in die Schöpfräume hinein bzw. aus diesen heraus befördert wird.
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Ref country code: IT Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES;WARNING: LAPSES OF ITALIAN PATENTS WITH EFFECTIVE DATE BEFORE 2007 MAY HAVE OCCURRED AT ANY TIME BEFORE 2007. THE CORRECT EFFECTIVE DATE MAY BE DIFFERENT FROM THE ONE RECORDED. Effective date: 20050405 |
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PLBE | No opposition filed within time limit |
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STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
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