EP0541989B1 - Mehrstufiges Vakuum-Pumpsystem - Google Patents

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EP0541989B1
EP0541989B1 EP92117784A EP92117784A EP0541989B1 EP 0541989 B1 EP0541989 B1 EP 0541989B1 EP 92117784 A EP92117784 A EP 92117784A EP 92117784 A EP92117784 A EP 92117784A EP 0541989 B1 EP0541989 B1 EP 0541989B1
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EP
European Patent Office
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pump
stage
vacuum
pump stage
valve
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP92117784A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0541989A1 (de
Inventor
Gion Caduff
Roland Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pfeiffer Vacuum GmbH
Original Assignee
Balzers Pfeiffer GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/10—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use
    • F04B37/14—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use to obtain high vacuum

Definitions

  • the invention relates to a multi-stage vacuum pump system with intermediate suction between the individual stages.
  • Vacuum pumps which correspond to such pump systems, are used, for example, in gas analyzers, which can only work under vacuum due to their functional principle.
  • the vacuum system of such gas analyzers is to be illustrated using the example of a mass spectrometer which is equipped, inter alia, with a two-stage rotary vane pump.
  • a high vacuum system consisting of a two-stage rotary vane pump and a high vacuum pump, which can be, for example, a turbomolecular or diffusion pump, is used to maintain the vacuum in the analysis chamber.
  • Two-stage rotary vane pumps are expedient here because they generate a final vacuum, which serves as an optimal forevacuum for the high-vacuum pump connected to it.
  • the gas to be examined which is generally available under atmospheric pressure, must be fed to the gas analysis system under reduced pressure.
  • the pressure reduction stage is often formed by a further rotary vane pump in connection with a capillary stage at the gas inlet. Since the demands on the final vacuum are lower in this case than with the high vacuum pump, a single-stage rotary vane pump is sufficient.
  • a second rotary vane pump for the high vacuum system with an intermediate suction connection between the two stages is used.
  • the pressure reduction stage is evacuated via this intermediate suction connection using the second stage of the rotary vane pump.
  • the rotary vane pump thus serves simultaneously as a two-stage pump for generating the forevacuum for the high vacuum pump and as a one-stage pump for evacuating the pressure reduction stage.
  • the object of the invention is to develop a pump system which can be used universally for the abovementioned fields of application.
  • the aim is to ensure that the occurrence of larger or variable amounts of gas at the intermediate suction connection of a multi-stage pump system, its mode of operation and the mode of operation of a subsequent high-vacuum pump are not impaired.
  • Claims 2 to 5 represent further design options of the invention.
  • the additional valve between the intermediate suction connection and the first pump stage facing the high vacuum side achieves a decisive improvement in the pump system. If there is little or no gas at the intermediate suction connection, the valve remains open, and in the example given here there is a two-stage rotary vane pump with its full function. When there is a large amount of gas, the valve closes, and the two pump stages work like two single-stage pumps, the second stage facing the higher pressure pumping out the large amount of gas against the atmosphere, without the pressure in the first stage facing the high vacuum being increased significantly . This prevents the high-vacuum pump from working.
  • the additional valve can be preloaded mechanically, for example by springs. This makes it possible to specify the time of closing and opening depending on the pressure.
  • the pump system consists of the pump stage 1, which faces the high vacuum pump 3 and the following pump stage 2, which is connected to the atmosphere via the valve 4.
  • the analysis chamber 5 is evacuated via the high vacuum pump 3.
  • the pump stage 2 and the capillary stage 7 together form the pressure reduction stage for the gas to be examined.
  • the two pump stages 1 and 2 are connected to one another via the bypass line 9.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges Vakuum-Pumpsystem mit Zwischenabsaugung zwischen den einzelnen Stufen.
  • Vakuumpumpen, die solchen Pumpsystemen entsprechen, werden zum Beispiel bei Gasanalysatoren, welche von ihrem Funktionsprinzip her nur unter Vakuum arbeiten können, eingesetzt. Das Vakuumsystem derartiger Gasanalysatoren soll am Beispiel eines Massenspektrometers, welches unter anderem mit einer zweistufigen Drehschieberpumpe ausgerüstet ist, dargestellt werden.
  • Für die Aufrechterhaltung des Vakuums in der Analysenkammer wird ein Hochvakuumsystem, bestehend aus einer zweistufigen Drehschieberpumpe und einer Hochvakuumpumpe, die zum Beispiel eine Turbomolekular- oder Diffusionspumpe sein kann, verwendet.
  • Zweistufige Drehschieberpumpen sind hier zweckmäßig, da sie ein Endvakuum erzeugen, welches als optimales Vorvakuum für die damit verbundene Hochvakuumpumpe dient.
  • Das zu untersuchende Gas, welches in der Regel unter Atmosphärendruck zur Verfügung steht, muß unter reduziertem Druck dem Gasanalysensystem zugeführt werden. Die Druckreduktionsstufe wird hierbei vielfach durch eine weitere Drehschieberpumpe in Verbindung mit einer Kapillarstufe am Gaseinlaß gebildet. Da die Ansprüche an das Endvakuum in diesem Fall niedriger sind als bei der Hochvakuumpumpe, ist eine einstufige Drehschieberpumpe ausreichend.
  • Somit wären zwei Drehschieberpumpen zum Betrieb des Gasanalysensystems notwendig.
  • Man kann jedoch bei konstant anfallenden kleinen Gasmengen in der Druckreduktionsstufe den Einsatz einer zweiten Drehschieberpumpe vermeiden. Dazu wird als Drehschieberpumpe für das Hochvakuumsystem eine solche mit einem Zwischenabsauganschluß zwischen den beiden Stufen verwendet. Über diesen Zwischenabsauganschluß wird die Druckreduktionsstufe mit Hilfe der zweiten Stufe der Drehschieberpumpe evakuiert. Damit dient die Drehschieberpumpe gleichzeitig als zweistufige Pumpe zur Erzeugung des Vorvakuums für die Hochvakuumpumpe und als einstufige Pumpe zum Evakuieren der Druckreduktionsstufe.
  • Solche Pumpen sind bekannt, haben aber den Nachteil, daß der Enddruck der Drehschieberpumpe sehr stark vom Druck am Zwischenabsauganschluß abhängt. Dies kann akzeptiert werden, solange konstante Betriebsbedingungen an dieser Stelle herrschen und keine allzu großen Gasmengen gepumpt werden. Wenn jedoch unterschiedliche oder größere Gasmengen am Zwischenabsauganschluß anfallen, z.B. beim Austausch der Kapillarstufe oder beim Abpumpen von zusätzlichen Bauteilen, wird der Druckanstieg im Vorvakuum der Hochvakuumpumpe unzulässig hoch.
  • Dieses dem Stand der Technik entsprechende Vakuumsystem ist also, wie an diesem Beispiel gezeigt wurde, nur begrenzt einsetzbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpsystem zu entwickeln, welches für die obengenannten Anwendungsgebiete universell einsetzbar ist. Insbesondere soll erreicht werden, daß beim Anfall von größeren oder variablen Gasmengen am Zwischenabsauganschluß eines mehrstufigen Pumpsystems, dessen Arbeitsweise und die Arbeitsweise einer sich anschließenden Hochvakuumpumpe nicht beeinträchtigt werden.
  • Die Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 stellen weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung dar.
  • Durch das zusätzliche Ventil zwischen dem Zwischenabsauganschluß und der der Hochvakuumseite zugewandten ersten Pumpstufe wird eine entscheidende Verbesserung des Pumpsystems erreicht. Bei geringem oder keinem Gasanfall am Zwischenabsauganschluß bleibt das Ventil offen, und es ergibt sich bei dem hier angeführten Beispiel eine zweistufige Drehschieberpumpe mit ihrer vollen Funktion. Bei größerem Gasanfall schließt das Ventil, und die beiden Pumpstufen arbeiten wie zwei einstufige Pumpen, wobei die zweite, der Seite des höheren Druckes zugewandte Stufe den großen Gasanfall gegen Atmosphäre abpumpt, ohne daß der Druck in der ersten, der Hochvakuumseite zugewandten Stufe wesentlich erhöht wird. Dadurch wird eine Beeinträchtigung der Arbeitsweise der Hochvakuumpumpe vermieden.
  • Die Vorbelastung des zusätzlichen Ventils kann mechanisch, zum Beispiel durch Federn, erfolgen. Dadurch wird es möglich, den Zeitpunkt des Schließens und Öffnens in Abhängigkeit vom Druck vorzugeben.
  • Da der Druck am Ausgang der ersten Pumpstufe niedriger ist als am Ausgang der zweiten Pumpstufe, ist es sinnvoll, die Vorbelastung des zusätzlichen Ventils nicht größer zu machen als die des in der Regel vorhandenen Ausstoßventils der zweiten Pumpstufe.
  • Bei dieser Konstruktion kann noch ein Nachteil auftreten welcher die Dampfverträglichkeit der ersten Pumpstufe betrifft. Bei geschlossenem Ventil zwischen den Pumpstufen steigt der Druck auf der Ausstoßseite der ersten Stufe an. Somit nimmt auch der Partialdruck der Dämpfe zu. Um diesen Anstieg in Grenzen zu halten und ein Kondensieren zu vermeiden, wird parallel zu dem Ventil eine Bypassleitung angebracht, welche die Ausstoßseite der ersten Stufe mit der Ansaugseite der zweiten Stufe verbindet. Der Querschnitt dieser Leitung muß so groß sein, daß beim Arbeitsdruck der Pumpe die dann noch anfallende Dampfmenge von der zweiten Stufe abgepumpt werden kann. Andererseits muß beachtet werden, daß die Rückströmung von der zweiten in die erste Stufe in solchen Grenzen gehalten wird, daß sie sich nicht störend auf das Hochvakuum auswirkt. Der optimale Querschnitt richtet sich nach den Druckverhältnissen und Saugvermögen in den beiden Pumpstufen. Zweckmäßigerweise wird die Bypassleitung so gestaltet, daß ihr Querschnitt durch an sich bekannte Mittel, wie z.B. Blenden, variiert werden kann.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Idee wurde hier am Beispiel einer zweistufigen Drehschieberpumpe erläutert. Die Anwendbarkeit der Erfindung ist jedoch nicht auf diese Pumpen beschränkt, sondern erstreckt sich allgemein auf mehrstufige Vakuumpumpen und -Pumpsysteme.
  • Anhand der Abbildung soll die Erfindung näher erläutert werden.
  • Das Pumpsystem besteht aus der Pumpstufe 1, welche der Hochvakuumpumpe 3 zugewandt ist und aus der folgenden Pumpstufe 2, welche über das Ventil 4 mit der Atmosphäre verbunden ist. Über die Hochvakuumpumpe 3 wird die Analysenkammer 5 evakuiert. Zwischen den beiden Pumpstufen 1 und 2 befindet sich der Zwischenabsauganschluß 6, welcher zum Beispiel mit der Kapillarstufe 7 verbunden ist. Die Pumpstufe 2 und die Kapillarstufe 7 bilden zusammen die Druckreduktionsstufe für das zu untersuchende Gas. Zwischen dem Zwischenabsauganschluß 6 und der der Hochvakuumseite zugewandten Pumpstufe 1 befindet sich ein zusätzliches Ventil 8, welches als vorbelastetes Druckventil ausgebildet sein kann. Darüberhinaus sind die beiden Pumpstufen 1 und 2 über die Bypassleitung 9 miteinander verbunden.

Claims (5)

  1. Mehrstufiges Vakuum-Pumpsystem mit mindestens einem Zwischenabsauganschluß (6) zwischen den einzelnen Pumpstufen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Zwischenabsauganschluß (6) und der jeweils der Hochvakuumseite zugewandten Pumpstufe (1) ein zusätzliches Ventil (8) angebracht ist.
  2. Mehrstufiges Vakuum-Pumpsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Ventii (8) ein Druckventil mit variabler Vorbelastung ist.
  3. Mehrstufiges Vakuum-Pumpsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastung des zusätzlichen Ventils (8) kleiner oder gleich der Vorbelastung des Ausstoßventils (4) ist.
  4. Mehrstufiges Vakuum-Pumpsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßseite der jeweils der Hochvakuumseite zugewandten Pumpstufe (1) mit der Ansaugseite der folgenden Pumpstufe (2) durch eine Bypassleitung (9) parallel zu dem zusätzlichen Ventil (8) verbunden ist, deren Querschnitt so bemessen ist, daß beim Arbeitsdruck der Pumpstufe (1) die dann noch anfallende Dampfmenge von der folgenden Pumpstufe (2) abgepumpt wird und daß der Gasanfall in dieser Pumpstufe nur in solch geringem Maße in die der Hochvakuumseite zugewandten Pumpstufe (1) zurückströmt, daß das Hochvakuum nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
  5. Mehrstufiges Vakuum-Pumpsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Bypassleitung (9) variabel ausgeführt ist.
EP92117784A 1991-11-11 1992-10-17 Mehrstufiges Vakuum-Pumpsystem Expired - Lifetime EP0541989B1 (de)

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