EP2354546B1

EP2354546B1 - Membranvakuumpumpe

Info

Publication number: EP2354546B1
Application number: EP11000369.6A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Dr. Dirscherl; Gerhard Rüster
Original assignee: Vacuubrand GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuubrand GmbH and Co KG
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2031-01-19
Also published as: EP2354546A1; DE202010002145U1

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Membranvakuumpumpen sind oszillierende Verdrängervakuumpumpen und wohlbekannt. Bei diesem Pumpentyp wird mindestens ein Schöpfraum durch (jeweils) ein oszillierendes Element periodisch verkleinert und vergrößert. Als oszillierendes Element wird bei Membranvakuumpumpen eine Membran aus einem flexiblen Material verwendet, welche am Außenumfang möglichst gasdicht eingespannt ist und beispielsweise durch mechanische Elemente, pneumatisch oder hydraulisch in eine oszillierende Bewegung versetzt wird. Die Membran bildet zusammen mit einem zweiten Element, dem so genannten Kopfdeckel, einen Hohlraum mit veränderlichem Volumen, den Schöpfraum. Beim Vergrößern des Schöpfraums wird das zu fördernde Medium (hier Gase oder Dämpfe) durch mindestens eine Einlassöffnung in den Schöpfraum gesaugt. Beim Verkleinern des Schöpfraums wird das im Schöpfraum befindliche Medium verdichtet und durch mindestens eine Auslassöffnung ausgestoßen.
Zur Erhöhung des Saugvermögens oder zur Verbesserung des Endvakuums der Vakuumpumpe werden häufig mehrere Membranpumpstufen parallel bzw. seriell verbunden.
Derartige Vakuumpumpen sind sehr weit verbreitet zur Erzeugung von Grob- und Feinvakuum für verschiedenste Anwendungen in Industrie und Forschung. Membranvakuumpumpen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie sehr kompakt gebaut werden können mit für entsprechende Anwendungen ausreichendem Saugvermögen. Sie werden daher oft in Laboratorien, als Einbaupumpe in Geräten und für andere Anwendungen, die nur begrenztes Saugvermögen erfordern, eingesetzt.
Für die Steuerung des Gasflusses in den Schöpfraum hinein bzw. aus dem Schöpfraum heraus sind an Einlass- und Auslassöffnungen Ventile erforderlich. Bekannt ist, diese Ventile als durch den Gasfluss selbst gesteuerte Ventile auszuführen. Diese entsprechen in der Funktionsweise Rückschlagventilen. Diese sind so orientiert, dass an Einlassöffnungen das Gas nur in den Schöpfraum hinein, und an Auslassöffnungen das Gas nur heraus strömen kann. Mögliche Anordnungen solcher durch den Gasfluss selbst gesteuerten Ventile sind beispielsweise in den Literaturstellen EP-A-0 783 077 , US 6,817,839 B2 , DE-A-102 33 302 und DE-A-10 2006 021 535 offenbart.
Fig. 1 zeigt als Schnittbild eine Pumpstufe einer typischen Membranvakuumpumpe gemäß dem bekannten Stand der Technik im zeitlichen Ablauf (Phase 1 bis 4).
Die in Fig. 1 dargestellte Membranvakuumpumpe hat ein Gehäuse 1, in dem eine Membran 2 randseitig eingespannt ist. Die Membran 2 wird von einem Antrieb bewegt, dessen Antriebspleuel 3 in einer taumelnden Abwälzbewegung gegenüber dem Gehäuse 1 vom Antrieb bewegt wird. Von der Membran 2 wird im Gehäuse 1 einseitig ein Schöpfraum 4 begrenzt. Gegenüber der Membran 2 wird der Schöpfraum 4 von einem Gehäusekopf 5 begrenzt. Häufig besteht der Gehäusekopf 5 aus einem Kopfdeckel 6 und einem Gehäusedeckel 7 (beides erst in Fig. 3 erkennbar), was der Montierbarkeit der verschiedenen Bauteile im Gehäuse 1 dient.
Im Gehäusekopf 5 befindet sich mindestens eine in den Schöpfraum 4 führende Ansaugleitung 8 (IN) mit einer Einlassventilanordnung 9 und mindestens eine aus dem Schöpfraum 4 führende Ausstoßleitung 10 (EX) mit einer Auslassventilanordnung 11. Das alles ist in der Darstellung zu Phase 2 in Fig. 1 eingezeichnet.
In Phase 3 der Fig. 1 ist eingezeichnet, dass die Einlassventilanordnung 9 eine Einlass-Ventilöffnung 12 und einen die Einlass-Ventilöffnung 12 bei Überdruck im Schöpfraum 4 relativ zur Ansaugleitung 8 schließenden Einlass-Ventilkörper 13, hier als Blattventil ausgeführt, aufweist. Ebenso ist eingezeichnet, dass die Auslassventilanordnung 11 eine Auslass-Ventilöffnung 14 und einen die Auslass-Ventilöffnung 14 bei Unterdruck im Schöpfraum 4 relativ zur Ausstoßleitung 10 schließenden Auslass-Ventilkörper 15, ebenfalls hier als Blattventil ausgeführt, aufweist.
Gas und Dämpfe werden bei "IN" angesaugt und bei "EX" ausgestoßen. In Phase 1 bewegt sich die Membran abwärts und Gase strömen durch das (durch die Druckdifferenz selbsttätig) geöffnete Einlassventil (links) in den Schöpfraum. Das Auslassventil (rechts) ist geschlossen, da es durch den Differenzdruck auf die Ventilöffnung gezogen wird. In Phase 2 ist der untere Umkehrpunkt der Membran erreicht. In Phase 3 bewegt sich die Membran nach oben. Die Gase im Schöpfraum werden verdichtet und durch das nun (durch den Überdruck im Schöpfraum) geöffnete Auslassventil ausgestoßen, das Einlassventil ist geschlossen, da es auf die Ventilöffnung gedrückt wird. In Phase 4 ist der obere Umkehrpunkt der Membran erreicht, es verbleibt etwas Gas im nun minimalen Schöpfraum, dem so genannten Totraum.
Fig. 1 lässt erkennen, dass die konstruktiv vorgegebene Bewegungsrichtung des Einlass-Ventilkörpers 13 und des Auslass-Ventilkörpers 15 im Wesentlichen der Gasströmungsrichtung an der entsprechenden Ventilöffnung 12; 14 entspricht und der Einlass-Ventilkörper 13 und der Auslass-Ventilkörper 15 bei hinreichendem Gasdruck von der jeweiligen Gasströmung an der Einlass-Ventilöffnung 12 bzw. der Auslass-Ventilöffnung 14 jedenfalls überwiegend in die Gasströmungsrichtung bewegbar ist.
Diese Anordnungen haben sich bewährt und sind relativ einfach technisch umsetzbar, da die Ventile keine weitere Ansteuerung benötigen. Mit mehrstufigen Membranpumpen werden so Endvakuumwerte unter 1 mbar erreicht. Man stellt jedoch fest, dass es sehr schwierig ist, noch deutlich tiefere Endvakuumwerte (< 0,1 mbar) zu erreichen. Dies liegt nach heutigem Kenntnisstand daran, dass die Gaskräfte auf die Ventilkörper (Ventile) bei niedrigen Drücken so gering werden, dass diese nicht mehr ausreichen, die Ventilkörper (Ventile) für die Ansaug- und Ausstoßphasen schnell genug zu betätigen. Dies ist eine Besonderheit von Membranvakuumpumpen, die bei anderen Pumpentypen nicht auftritt.
Die Gaskraft auf ein Ventil ergibt sich aus dem Produkt von Druckdifferenz (auf Ober- und Unterseite des Ventils) und Ventilfläche. Die Druckdifferenz ergibt sich bei einstufigen Pumpen aus dem erzeugten Vakuum im Vergleich zum Ausstoßdruck und bei mehrstufigen Membranpumpen aus dem Zusammenspiel der einzelnen Stufen. Bei tiefen Drücken wird diese Druckdifferenz immer geringer.
Eine Vergrößerung der Ventilfläche geht immer auch mit einer entsprechenden Vergrößerung der zu bewegenden Ventilmasse einher, d.h. die zur Verfügung stehende Beschleunigung auf das Ventil bleibt im Wesentlichen unverändert. Aus dieser Beschleunigung ergibt sich die Öffnungs- bzw. Schließzeit des Ventils. Ist diese länger als die entsprechende Zykluszeit für das Ansaugen bzw. Ausstoßen der Gase, so überschneidet sich das Ventil-Öffnen bzw. -Schließen mit der nächsten Phase des Pumpzyklus und es ergeben sich Strömungsverluste. Diese lassen sich reduzieren durch Verringerung der Zahl der Hübe der Pumpe pro Zeiteinheit. Dies ist wohlbekannt (siehe DE-A-198 10 241 ). Aber auch mit dieser Methode lässt sich das Endvakuum nur um einen Faktor von typischerweise 2 - 3 verbessern.
Die Ventile müssen für gute Endvakuumwerte also einerseits möglichst leicht gebaut werden, andererseits aber mechanisch so stabil sein, dass sie auch große Gaskräfte bei hohen Ansaugdrücken aushalten. Die Materialauswahl wird meist durch die Anforderungen bezüglich chemischer und thermischer Beständigkeit eingeschränkt. Zudem müssen die Ventile im geschlossenem Zustand die Ventilöffnung zuverlässig abdichten und bestehen daher bevorzugt aus einem gummielastischen Material. Auch dürfen die Ventile nicht auf dem Rand der Ventilöffnung haften oder kleben, da dies das erzielbare Endvakuum erheblich verschlechtern würde. Antihaftbeschichtungen auf dem Ventil oder dem Rand der Ventilöffnung können helfen, diese Effekte zu verringern.
Diese Faktoren limitieren die Möglichkeiten, die Ventile noch leichter und flexibler zu gestalten und damit das Endvakuum noch zu verbessern. Zudem müssen die Ventile sehr kompakt sein, damit sie möglichst nahe am Schöpfraum untergebracht werden können. Diese Besonderheiten treten nur bei Vakuumpumpen mit gastrombetätigten Ventilen auf.
Fig. 2 zeigt eine typische Kompressionskurve einer beispielhaften Membranvakuumpumpstufe gemäß dem Stand der Technik in logarithmischer Darstellung. Bei 1000 mbar beträgt die Kompression 20, d.h. eine einstufige Pumpe mit dieser Charakteristik würde ein Endvakuum von 50 mbar erreichen. Bei 50 mbar beträgt die Kompression noch 12,5, d.h. eine zweistufige Pumpe würde 4 mbar erzielen. Bei 4 mbar beträgt die Kompression aber nur noch 6,5, entsprechend einem Endvakuum einer dreistufigen Pumpe von 0,6 mbar. Bei diesem niedrigen Druck beträgt die Kompression nur noch 2, so dass die vierstufige Membranvakuumpumpe ein Endvakuum von 0.3 mbar erzielen kann. Höhere Verstufungen machen kaum Sinn, da die Kompression gegen 1 geht.
Die volumetrische Kompression ergibt sich aus dem Verhältnis von maximalem Schöpfraumvolumen zu minimalem Schöpfraumvolumen (= Totraum). In der Realität ergeben sich stets niedrigere Werte für die Kompression, und diese bleibt auch nicht konstant über den Druck, wie in Figur 2 erkennbar. Die starke Abnahme der realen Kompression zu niedrigen Drücken rührt im Wesentlichen von der sich verschlechternden Effizienz der Ventile bzw. der Rückströmungsverluste an den Ventilen her. Bei einer derartigen Kompressionskurve erzielt man mit vierstufigen Anordnungen von Membranvakuumpumpen - die sich technisch noch gut handhaben lassen - Endvakuumwerte von etwa 0,3 mbar. (Wäre die anfängliche Kompression von 20 konstant und unabhängig vom Druck erzielbar, so würde dieselbe Pumpe ein Endvakuum < 0,01 mbar erreichen.)
Oszillierende Verdrängervakuumpumpen, die mit einem Kolben als oszillierendem Element arbeiten, erreichen deutlich bessere Endvakuumwerte als Membranvakuumpumpen. Dies liegt zum einen daran, dass mit einem Kolben größere Hübe möglich sind als bei Membranvakuumpumpen. Bei Membranvakuumpumpen limitiert die maximal mögliche Dehnung der Membran den Hub. Die volumetrische Kompression kann daher bei Kolbenpumpen viel höher sein als bei Membranpumpen. Zum anderen bietet der Kolben die Möglichkeit, die Ventile nicht oder zumindest nicht nur vom Gasstrom betätigen zu lassen, sondern den Gasfluss vom Kolben beispielsweise durch Gaseinlass-Schlitze in der Zylinderwand direkt steuern zu lassen, oder aber die Tätigkeit der Ventile durch den Kolben zu unterstützen. Solche Anordnungen sind beispielsweise in EP-A-0 085 687 sowie in DE-A-196 34 517 offenbart. DE-A-199 17 009 offenbart eine Kolbenvakuumpumpe mit sowohl vom Gasfluss als auch mechanisch vom Kolben betätigten Ventilen. Daher ist auch die real erzielbare Kompression höher als bei Membranvakuumpumpen, insbesondere bei tiefen Drücken.
Nachteilig bei Kolbenvakuumpumpen ist, dass für die Abdichtung des Kolbens gegen die Zylinderwand eine gleitende Dichtung erforderlich ist. Diese neigt zu schnellem Verschleiß und Abrieb. Zudem ist diese nicht hermetisch dicht wie eine Membran. Beim Pumpen von aggressiven oder kondensierenden Medien gelangen diese in den Antriebsraum unterhalb des oszillierenden Elements und können dort Schäden durch Korrosion und Schmiermittel-Auswaschung verursachen. Nur Membranvakuumpumpen bieten daher die Möglichkeit, auch hochkorrosive Medien bei Unterdruck zuverlässig zu fördern.
Aber auch die mechanische Betätigung der Ventile durch den Kolben kann nachteilig sein. So wird das Auslassventil in DE-A-199 17 009 bei niedrigen Drücken (kleine Gaskräfte) durch den Kolben selbst betätigt. Der Kolben berührt nahe dem oberen Umkehrpunkt die Ventilplatte und hebt diese an, um diese zu öffnen. In der Praxis führt diese Berührung (mit beispielsweise 25 Hz) zu einem erhöhten Betriebsgeräusch.
Bei Membranvakuumpumpen wäre eine mechanische Betätigung des Auslassventils durch die Membran oder andere mechanische Elemente auf der Membran, wie bei Kolbenpumpen offenbart, möglich, wäre jedoch nachteilig bezüglich des Betriebsgeräusches. Zudem ist der Effekt bezüglich Endvakuumverbesserung nur sehr begrenzt, da die Membran kaum Möglichkeiten zur vollständigen Steuerung des Gasflusses ausschließlich durch die Membran wie bei einem Kolben bietet. DE-A-199 19 908 offenbart eine Möglichkeit, die gaskraftgesteuerte Tätigkeit des Einlassventils durch die Membran zu unterstützen. Aber auch diese Anordnung bringt nur eine vergleichsweise geringe Verbesserung des erzielbaren Endvakuums.
Auf andere Pumpentypen zur Erzeugung von besseren Endvakuumwerten wie Scrollpumpen, Rootspumpen, Klauenpumpen oder Schraubenpumpen oder Kombinationen dieser Pumpen mit anderen Typen soll hier nicht weiter eingegangen werden (siehe dazu auch DE-A-20 2009 003 980 ). Alle diese Anordnungen sind vergleichsweise aufwendig oder haben andere Nachteile. Nur die wenigsten lassen sich so kompakt wie Membranvakuumpumpen bauen.
Es ist bekannt, in Pumpen anstelle von druckgesteuerten Ventilen extern betätigte Ventile zu verwenden. Dies wird beispielsweise bei Flüssigkeitsdosierpumpen (siehe z.B. EP-A-1 133 639 ), Druckpumpen zur Schlammbeseitigung (siehe z. B. US 2,785,638 A ) und düsenbetriebenen Membranpumpen (siehe z. B. US 3,741,687 A ) eingesetzt. Die Ventile werden dabei beispielsweise elektrisch, magnetisch oder pneumatisch betätigt. Meist sind solche Ventile recht groß und werden daher nicht direkt im Pumpenkopf, sondern in einem gewissen Abstand zum Pumpenkopf mit Leitungen angeordnet. Dies lässt sich für Vakuumpumpen nicht einsetzen, da das Volumen der Leitungen in den Totraum mit einfließt. Bei Flüssigkeitspumpen spielt dies keine große Rolle, da die Flüssigkeit inkompressibel ist, d.h. eine Druckerhöhung geht nicht mit Volumenverringerung einher. Bei der nachfolgenden Ansaugphase expandiert die verbleibende Flüssigkeit im Totraum daher nicht, so dass diese nur geringen Einfluss auf die Pumpleistung hat.
Des Weiteren sind Pumpen bekannt ( DE 195 32 037 C1 ), die in einem Pumpenkörper integrierte Saug- und Druckventile aufweisen. Die Saug- und Druckventile werden dabei elektronisch angesteuert. Durch Anpassung der Phasenlage der Ansteuerung der Ventile lässt sich die Pumpe aus einem Saugbetrieb in einen Druck-Förderbetrieb umschalten.
Bekannt ist eine für die Mikroanalytik verwendete Membranpumpe zum Pumpen kleiner Mengen von Flüssigkeiten ( DE 10 2008 033 153 A1 ), die durch piezoelektrische oder magnetostriktive Aktuatoren aktiv gesteuerte Ventilkörper für das Einlass-Ventil und das Auslass-Ventil aufweist. Dadurch soll erreicht werden, dass die mechanische Ausführung dieser Flüssigkeits-Membranpumpe keine bevorzugte Pumprichtung vorgibt. Durch Ansteuerung der Ventilkörper lässt sich vielmehr die Förderrichtung vorwärts oder rückwärts vorgeben.
Bei Membranvakuumpumpen gab es ebenfalls Ansätze zu extern betätigten Ventilen. So offenbart DE-A-40 26 669 eine Vakuumpumpe mit zwangsgesteuerten Ventilen mit einem im Querschnitt veränderbaren Verschlussorgan, bevorzugt aus einem piezoelektrischen Material oder aus einem elastischen Hohlkörper, der mit Druck beaufschlagt wird. Durch die Veränderung des Querschnitts wird der Ein- bzw. Auslasskanal geöffnet und verschlossen. Für die benötigten großen Querschnitte wären sehr große Piezoaktuatoren nötig gewesen, die dann aber wegen ihrer großen Masse recht langsam reagieren. Für den zweiten Ansatz mit expandierbaren flexiblen Hohlkörpern wäre eine sehr aufwendige, schnelle, pneumatische oder hydraulische Betätigung erforderlich gewesen. Die Betätigung der Ventile erfolgt hier ausschließlich extern, der anstehende Differenzdruck am Ventil hat keinen oder nur geringen Einfluss auf die Ventilbetätigung.
Einen weiteren Ansatz für Pumpen mit extern gesteuerten Ventilen offenbart US 2003/0231967 A1 , die eine Mikropumpenanordnung zur Gaschromatographie beschreibt. Dabei wird eine Reihe von Membranen und Ventilen durch elektrische Signale über Elektroden gesteuert, so dass Gase in eine Richtung oder entgegengesetzt dieser Richtung geleitet werden können. Jeder Pumpabschnitt der bekannten Anordnung hat eine kleine Kompressionsrate von 1,04, so dass jeder Pumpabschnitt nur einen Druckanstieg von wenigen Prozent bewirkt.
Weiterhin ist in der JP 2001-304114 A eine Pumpe mit extern gesteuerten Ventilen offenbart. Dabei werden über Drucksensoren Volumenveränderungen des Pumpenraums erfasst, auf deren Grundlage die Ansteuerung der Ventilaktoren erfolgt.
Der Lehre der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Membranvakuumpumpe anzugeben, die für saugseitige niedrige Drücke, insbesondere geringer als 0,1 mbar, geeignet ist.
Das zuvor aufgezeigte Problem wird durch eine Membranvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 gelöst, bei der die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 realisiert sind. Diesbezüglich ist die erfindungsgemäße Membranvakuumpumpe dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass-Ventilanordnung ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Einlass-Aktuator zugeordnet ist, der einen am Gehäusekopf fest montierten Teil und einen mit dem Einlass-Ventilkörper gekuppelten, angetriebenen, beweglichen Teil aufweist und dass der Einlass-Aktuator gegenüber der Einlass-Ventilanordnung so angeordnet ist, dass die vom Aktuator verursachte Bewegungsrichtung des beweglichen Teils gegenüber dem feststehenden Teil mit der von der Gasströmung verursachten Bewegungsrichtung des Einlass-Ventilkörpers im Wesentlichen übereinstimmt, und/oder dass der Auslass-Ventilanordnung ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Auslass-Aktuator zugeordnet ist, der einen am Gehäusekopf fest montierten Teil und einen mit dem Auslass-Ventilkörper gekuppelten, angetriebenen, beweglichen Teil aufweist, und dass der Auslass-Aktuator gegenüber der Auslass-Ventilanordnung so angeordnet ist, dass die vom Aktuator verursachte Bewegungsrichtung des beweglichen Teils gegenüber dem feststehenden Teil mit der von der Gasströmung verursachten Bewegungsrichtung des Auslass-Ventilkörpers im Wesentlichen übereinstimmt.
Die erfindungsgemäße Anordnung beruht auf dem Ansatz, für die Betätigung zumindest einzelner Ventilkörper einer Membranvakuumpumpe einen zusätzlichen elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Aktuator zu verwenden. Für eine solche Betätigung dienen Aktuatoren, die sehr kompakt gebaut sind, damit sie direkt in den Gehäusekopf der Membranvakuumpumpe integriert werden können.
Der erfindungsgemäß zu verwendende Aktuator bzw. die erfindungsgemäß zu verwendenden Aktuatoren sollen die Ventilkörper sehr schnell betätigen können (typischerweise 25 Auf-/Zu-Bewegungen pro Sekunde) und dies bei einem Verfahrweg im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm für typische Membranvakuumpumpen. Müsste der jeweilige Aktuator gegen die Kräfte der Gasströmung arbeiten, so würde das sehr leistungsfähige Aktuatoren erfordern, die sehr teuer sind.
Erfindungsgemäß wird der jeweilige extern ansteuerbare Aktuator jedoch so angeordnet und angesteuert, dass die aus der Gasströmung resultierenden Kräfte auf den jeweiligen Ventilkörper den zugeordneten Aktuator unterstützen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wirkt der Aktuator nicht unbeeinflusst von den Gaskräften oder muss gar gegen die anstehenden Gaskräfte das Ventil öffnen oder schließen, sondern wird von diesen unterstützt. Dazu wird die Ventilanordnung so gewählt, dass die anstehenden Gaskräfte in der entsprechenden Richtung auf den Ventilkörper des Ventils wirken können, so dass das Ventil entsprechend seiner Funktion als Ein- und Auslass wirkt. Zudem ist die Bewegungsrichtung des Ventils, und damit des Aktuators, entsprechend ausgerichtet, also im Wesentlichen parallel zu den aus der Gasströmung resultierenden Kräften.
Die erfindungsgemäße Anordnung reduziert die Anforderungen an die Kraft, die der Aktuator aufbringen muss, so weit, dass technisch einfach realisierbare Aktuatoren verwendet wenden können. Die um ein Vielfaches verringerten Kräfte bewirken auch eine entsprechend geringere Abwärme im Aktuator, so dass dessen Kühlung vereinfacht wird. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Verwendung von überraschend kleinen, kompakten und leichten Aktuatoren, die dementsprechend auch ausreichende Schnelligkeit bei geringem Leistungsbedarf aufweisen.
Bei hohen Drücken werden die anstehenden Gaskräfte die vom Aktuator bewirkte Kraft deutlich überwiegen, d.h. das Ventil ist überwiegend von Gaskraft betätigt. Bei tiefen Drücken, bei denen die anstehenden Gaskräfte sehr klein werden, übernimmt der Aktuator die Betätigung des Ventils überwiegend alleine und ermöglicht so die Funktionsfähigkeit des Ventils auch bei niedrigen Drücken, so dass erheblich tiefere Endvakuumwerte möglich werden als ohne Aktuator.
Erfindungsgemäß können das Ein- und das Auslassventil von einem Aktuator unterstützt ausgebildet sein, aber auch nur das Einlassventil oder nur das Auslassventil. Dies gilt gleichermaßen, falls an einer Pumpstufe mehrere Ein- und Auslassventile vorhanden sind. In diesem Fall sind auch Anordnungen denkbar, in denen nicht alle Ein- und Auslassventile einer Pumpstufe von einem Aktuator unterstützt sind.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Membranvakuumpumpe sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine elektronische Ansteuerung vorgesehen, die Messsignale mindestens eines Messelements zur direkten oder indirekten Positionsbestimmung der Membran erhält und darauf basierend den Einlass-Aktuator und/oder den Auslass-Aktuator in Übereinstimmung mit den Bewegungen der Membran und der Richtung der davon verursachten Gasströmung steuert.
Die Betätigung des Aktuators muss synchron zur Bewegung der Membran erfolgen. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch eine Ansteuerung. Die aktuelle Position der Membran oder des antreibenden Motors - sei es ein linearer Antrieb oder ein rotierender Antrieb mit Elementen zur Übersetzung der drehenden Bewegung in eine zumindest annähernd lineare - wird durch ein Messelement z. B. einen Positionssensor oder einen Drehgeber ermittelt. Alternativ kann die Membranposition durch direkte Auslesung des Antriebs ermittelt werden, falls es sich um einen dafür geeigneten Antrieb handelt, wie beispielsweise einen elektronisch gesteuerten Linearantrieb oder einen Synchronmotor.
Nach weiter bevorzugter Lehre kann man vorsehen, dass der bewegliche Teil des Aktuators mit dem Ventilkörper in beiden Bewegungsrichtungen des Ventilkörpers kraftübertragend gekuppelt ist. Hier kann es sich besonders empfehlen, dass der Ventilkörper am beweglichen Teil des Aktuators angebracht ist. Der bewegliche Teil des Aktuators und der zugehörige Ventilkörper bewegen sich hier also als Einheit.
Eine Alternative besteht aber auch darin, die Kopplung lediglich in einer Richtung herzustellen. Dann wäre vorgesehen, dass der bewegliche Teil des Aktuators mit dem Ventilkörper nur in einer Bewegungsrichtung des Ventilkörpers, vorzugsweise in der Öffnungsrichtung, kraftübertragend gekuppelt ist und dass der Ventilkörper in der anderen Bewegungsrichtung des Ventilkörpers federvorgespannt ist. Hier könnte, wie bei einem Blattventil, die Federcharakteristik durch die Gestaltung des Ventilkörpers selbst realisiert sein. Man kann aber auch mit einem zusätzlichen Federelement arbeiten.
Die Aktion des Aktuators kann durch eine geeignet ausgelegte Feder unterstützt werden, die - je nach Bauart des Aktuators - auch die Rückholbewegung bewirken kann, falls der Aktuator nur in einer Richtung eine Kraft ausüben kann. Bevorzugt wird man eine solche Feder so auslegen, dass die Resonanzfrequenz des kompletten Systems aus Aktuator, Feder und Ventil in etwa gleich oder größer der typischen Betätigungsfrequenz des Ventils ist.
Als Aktuator können beispielsweise Piezoaktuatoren, magnetische Antriebe, aber auch hydraulische oder pneumatische Antriebe zum Einsatz kommen. Bevorzugt werden magnetische Antriebe (z.B. Solenoide oder Hubmagnete) eingesetzt. In anderen bevorzugten Ausführungen kommen lineare Piezoantriebe oder Piezo-Biegeaktuatoren zum Einsatz.
Die kompakte Anordnung wird dadurch optimiert, dass der fest montierte Teil des Aktuators in einer Aufnahme des Gehäusekopfes angeordnet ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vakuum-Pumpanordnung mit mehreren von der Vakuumseite zur Druckseite hin hintereinander geschalteten Membranvakuumpumpen. Hier wird man bevorzugt nur diejenigen Stufen dieser mehrstufigen Anordnung mit Aktuatoren versehen, die bei niedrigen Drücken arbeiten, also nur die von der Vakuumseite aus erste Membranvakuumpumpe und evtl. noch die nächstfolgende oder zwei nächstfolgende. Demgegenüber würde man aus konstruktiven Gründen und Kostengründen die zur Druckseite hin letzte Membranvakuumpumpe und evtl. die vorhergehende oder mehrere vorhergehende nicht mit Aktuatoren ausrüsten.
Im Folgenden wird nun die Erfindung anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1: das bereits oben erwähnte Schnittbild des Pumpenbereichs einer typischen Membranvakuumpumpe des Standes der Technik in vier Phasen der Funktion,
Fig. 2: eine typische Kompressionskurve einer Vakuum-Pumpanordnung mit Membranvakuumpumpen gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3: eine sehr schematisierte Darstellung einer Einlassventilanordnung einer erfindungsgemäßen Membranvakuumpumpe und
Fig. 4: in einer Fig. 3 entsprechenden Darstellung ein Beispiel einer Auslassventilanordnung einer erfindungsgemäßen Membranvakuumpumpe.

Für die erfindungsgemäße Membranvakuumpumpe gilt zunächst wie für die aus dem Stand der Technik bekannte Membranvakuumpumpe, dass diese ein Gehäuse 1 mit einer Membran 2 darin aufweist, die im Gehäuse 1 randseitig eingespannt ist und von einem Antriebspleuel 3 eines motorischen Antriebs in eine taumelnde Abwälzbewegung versetzt werden kann. Hierzu darf auf Fig. 1 verwiesen werden, die entsprechend auch für eine erfindungsgemäße Membranvakuumpumpe zur Erläuterung heranzogen werden kann.
Im Gehäuse 1 befindet sich ein von der Membran 2 begrenzter Schöpfraum 4, der gegenüber der Membran 2 von einem Gehäusekopf 5 des Gehäuses 1 begrenzt ist. Das in Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel lässt erkennen, dass in den meisten Fällen der Gehäusekopf 5 aus einem Kopfdeckel 6 und einem Gehäusedeckel 7 aufgebaut ist.
Im Gehäusekopf 5 befindet sich mindestens eine in den Schöpfraum 4 führende Ansaugleitung 8 mit einer Einlassventilanordnung 9 wie sie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist, und mindestens eine aus dem Schöpfraum 4 führende Ausstoßleitung 10 mit einer Auslassventilanordnung 11, wie sie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist.
Generell gilt, dass die Einlassventilanordnung 9 eine Einlass-Ventilöffnung 12 und einen die Einlass-Ventilöffnung 12 bei Überdruck im Schöpfraum 4 schließenden Einlass-Ventilkörper 13 aufweist. In entsprechender Weise weist die Auslassventilanordnung 11 eine Auslass-Ventilöffnung 14 und einen die Auslass-Ventilöffnung 14 bei Unterdruck im Schöpfraum 4 schließenden Auslass-Ventilkörper 15 auf.
Wie sich aus Fig. 3 und Fig. 4 ergibt, ist auch bei der erfindungsgemäßen Konstruktion vorgesehen, dass die konstruktiv vorgegebene Bewegungsrichtung des Einlass-Ventilkörpers 13 und/oder des Auslass-Ventilkörpers 15 im Wesentlichen der Gasströmungsrichtung an der entsprechenden Ventilöffnung 12; 14 entspricht und der Einlass-Ventilkörper 13 und/oder der Auslass-Ventilkörper 15 bei hinreichendem Gasdruck von der jeweiligen Gasströmung an der Einlass-Ventilöffnung 12 bzw. der Auslass-Ventilöffnung 14 jedenfalls überwiegend in die Gasströmungsrichtung bewegbar ist.
Fig. 3 zeigt beispielhaft eine mögliche Einlassventilanordnung 9 mit Aktuator 16 einer erfindungsgemäßen Membranvakuumpumpe. Eine erfindungsgemäße Membranvakuumpumpe kann eine oder mehrere solche Anordnungen an einer oder mehreren Pumpstufen enthalten. In diesem Falle ist eine Anordnung mit longitudinal, also entlang seiner Längsachse, wirkendem Aktuator 16 dargestellt.
Die Einlassventilanordnung 9 besteht in dieser schematischen Darstellung aus einem Einlass-Ventilkörper 13, welcher von einem Aktuator 16, in diesem Falle bestehend aus einem beweglichen Teil 18 und einem festmontiertem Teil 17, betätigt wird. Der Einlass-Ventilkörper 13 öffnet und verschließt die Ventilöffnung 12 im Kopfdeckel 6, und steuert so den Gasdurchfluss aus der Ansaugleitung 8 im Gehäusedeckel 7 in den Schöpfraum 4, der durch die oszillierende Bewegung der Membran 2 periodisch vergrößert und verkleinert wird.
Bei der Abwärtsbewegung der Membran 2 entsteht im Schöpfraum 4 ein Unterdruck, wodurch am Einlass-Ventilkörper 13 ein Differenzdruck ansteht, der den Ventilkörper 13 in Richtung Schöpfraum 4 drückt. Der Aktuator 16 unterstützt diese Öffnungsbewegung, indem die Ansteuerung 19, welche von einem Messelement 20 ein Positionssignal der Membranstellung erhält, das Signal an den Aktuator 16 gibt, den beweglichen Teil 18 auszufahren. Falls bei niedrigen Differenzdrücken die Gaskräfte nicht zur Betätigung des Ventilkörpers 13 genügen, erfolgt die Öffnung des Ventils alleine aufgrund der Aktuatorkraft. Durch das geöffnete Einlassventil strömt Gas aus der Ansaugleitung 8 in den Schöpfraum 4.
Bei der Aufwärtsbewegung der Membran 2 entsteht im Schöpfraum 4 ein Überdruck, wodurch am Einlass-Ventilkörper 13 ein Differenzdruck ansteht, der den Ventilkörper 13 in Richtung Ventilöffnung 12 drückt. Der Aktuator 16 unterstützt diese Schließbewegung, indem die Ansteuerung 19, welche von einem weiteren Messelement 20 ein Positionssignal der Membranstellung erhält, das Signal an den Aktuator 16 gibt, den beweglichen Teil 18 einzufahren. Falls bei niedrigen Differenzdrücken die Gaskräfte nicht zur Betätigung des Ventilkörpers 13 genügen, erfolgt die Schließung des Ventils alleine aufgrund der Aktuatorkraft. Das verdichtete Gas im Schöpfraum 4 kann nicht mehr in die Ansaugleitung 8 zurückströmen.
Fig. 4 zeigt beispielhaft eine mögliche Auslassventilanordnung 11 mit einem Aktuator 16' einer erfindungsgemäßen Membranvakuumpumpe. Eine erfindungsgemäße Membranvakuumpumpe kann eine oder mehrere solche Anordnungen an einer oder mehreren Pumpstufen enthalten. In diesem Falle ist eine Anordnung mit longitudinal, also entlang seiner Längsachse, wirkendem Aktuator 16' dargestellt.
Die Auslassventilanordnung 11 besteht in dieser schematischen Darstellung aus einem Auslass-Ventilkörper 15, welcher von einem Aktuator 16', in diesem Falle bestehend aus einem beweglichen Teil 18' und einem festmontierten Teil 17', betätigt wird. Der Ventilkörper 15 öffnet und verschließt die Ventilöffnung 14 im Kopfdeckel 6, und steuert so den Gasdurchfluss aus dem Schöpfraum 4 in die Ausstoßleitung 10 im Gehäusedeckel 7. Der Schöpfraum 4 wird durch die oszillierende Bewegung der Membran 2 periodisch vergrößert und verkleinert.
Bei der Abwärtsbewegung der Membran 2 entsteht im Schöpfraum 4 ein Unterdruck, wodurch am Auslass-Ventilkörper 15 ein Differenzdruck ansteht, der den Ventilkörper 15 in Richtung Schöpfraum 4 und damit Ventilöffnung 14 drückt. Der Aktuator 16' unterstützt diese Schließbewegung, indem die Ansteuerung 19, welche von einem Messelement 20 ein Positionssignal der Membranstellung erhält, das Signal an den Aktuator 16' gibt, den beweglichen Teil 18' auszufahren. Falls bei niedrigen Differenzdrücken die Gaskräfte nicht zur Betätigung des Ventilkörpers 15 genügen, erfolgt die Schließung des Ventils alleine aufgrund der Aktuatorkraft. Gas kann nicht mehr aus der Ausstoßleitung 10 in den Schöpfraum 4 zurückströmen.
Bei der Aufwärtsbewegung der Membran 2 entsteht im Schöpfraum 4 ein Überdruck, wodurch am Auslass-Ventilkörper 15 ein Differenzdruck ansteht, der den Ventilkörper 15 in Richtung Gehäusedeckel 7 drückt. Der Aktuator 16' unterstützt diese Öffnungsbewegung, indem die Ansteuerung 19, welche von dem Messelement 20 ein Positionssignal der Membranstellung erhält, das Signal an den Aktuator 16' gibt, den beweglichen Teil 18' einzufahren. Falls bei niedrigen Differenzdrücken die Gaskräfte nicht zur Betätigung des Auslass-Ventilkörpers 15 genügen, erfolgt die Öffnung des Ventils alleine aufgrund der Aktuatorkraft. Verdichtetes Gas aus dem Schöpfraum 4 strömt durch das Auslassventil in die Ausstoßleitung 10.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Ventile der Membranvakuumpumpe, bei der die Gaskräfte die Betätigung die Ventilkörper 13; 15 unterstützen, muss der jeweilige Aktuator 16, 16' nur die Masse des jeweiligen Ventilkörpers 13; 15 bewegen und die Gaskräfte nicht überwinden, sondern wird von diesen unterstützt.
Die Zeichnung zeigt bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel Aktuatoren 16; 16' mit linear bewegten beweglichen Teilen 18; 18'. Das ist nicht zwingend, die beweglichen Teile 18; 18' können sich auch in einer anderen Bewegungsbahn bewegen. Insbesondere können die Aktuatoren 16; 16' als solche die beweglichen Teile 18; 18' bilden, beispielsweise als Piezoaktuator oder als magnetostriktiver Aktuator. Insbesondere kommt auch eine Ausführung als Piezo-Biege-aktuator in Frage.
Bei einer zuletzt beschriebenen Anordnung sind der montierte Teil 17; 17' des Aktuators 16; 16' und der angetriebene, bewegliche Teil 18; 18' miteinander integriert, insbesondere einstückig miteinander ausgeführt.

Claims

Membranvakuumpumpe
mit einem Gehäuse (1), das einen an einer Seite von einer beweglichen, randseitig im Gehäuse (1) eingespannten Membran (2) aus einem flexiblen Material begrenzten Schöpfraum (4) aufweist,
mit einem den Schöpfraum (4) gegenüber der Membran (2) begrenzenden Gehäusekopf (5), in dem mindestens eine in den Schöpfraum (4) führende Ansaugleitung (8) mit einer Einlassventilanordnung (9) und mindestens eine aus dem Schöpfraum (4) führende Ausstoßleitung (10) mit einer Auslassventilanordnung (11) angeordnet sind, und
mit einem mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieb, mit dem die Membran (2) in eine oszillierende Bewegung versetzt wird,
wobei die Einlassventilanordnung (9) eine Einlass-Ventilöffnung (12) und einen die Einlass-Ventilöffnung (12) bei Überdruck im Schöpfraum (4) relativ zur Ansaugleitung (8) schließenden Einlass-Ventilkörper (13) mit einer konstruktiv vorgegebenen Bewegungsrichtung und die Auslassventilanordnung (11) eine Auslass-Ventilöffnung (14) und einen die Auslass-Ventilöffnung (14) bei Unterdruck im Schöpfraum (4) relativ zur Ausstoßleitung (10) schließenden Auslass-Ventilkörper (15) mit einer konstruktiv vorgegebenen Bewegungsrichtung aufweist,
wobei die konstruktiv vorgegebene Bewegungsrichtung des Einlass-Ventilkörpers (13) und/oder des Auslass-Ventilkörpers (15) der Gasströmungsrichtung an der entsprechenden Ventilöffnung (12; 14) entspricht und der Einlass-Ventilkörper (13) und/oder der Auslass-Ventilkörper (15) bei hinreichendem Gasdruck von der jeweiligen Gasströmung an der Einlass-Ventilöffnung (12) bzw. der Auslass-Ventilöffnung (14) jedenfalls überwiegend in Gasströmungsrichtung bewegbar ist,
wobei der Einlassventilanordnung (9) ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Einlass-Aktuator (16) zugeordnet ist, der einen am Gehäusekopf (5) fest montierten Teil (17) und einen mit dem Einlass-Ventilkörper (13) gekuppelten, angetriebenen, beweglichen Teil (18) aufweist und dass die Bewegungsrichtung der vom Einlass-Aktuator (16) verursachten Bewegung des beweglichen Teils (18) gegenüber dem feststehenden Teil (17) mit der Bewegungsrichtung der von der Gasströmung verursachten Bewegung des Einlass-Ventilkörpers (13) übereinstimmt, und/oder
wobei der Auslassventilanordnung (11) ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Auslass-Aktuator (16') zugeordnet ist, der einen am Gehäusekopf (5) fest montierten Teil (17') und einen mit dem Auslass-Ventilkörper (15) gekuppelten, angetriebenen, beweglichen Teil (18') aufweist, und dass die Bewegungsrichtung der vom Auslass-Aktuator (16') verursachten Bewegung des beweglichen Teils (18') gegenüber dem feststehenden Teil (17') mit der Bewegungsrichtung der von der Gasströmung verursachten Bewegung des Auslass-Ventilkörpers (15) übereinstimmt,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine elektronische Ansteuerung (19) vorgesehen ist, die Messsignale mindestens eines Messelements (20) zur direkten oder indirekten Positionsbestimmung der Membran (2) erhält und darauf basierend den Einlass-Aktuator (16) und/oder den Auslass-Aktuator (16') in Übereinstimmung mit den Bewegungen der Membran (2) und der Richtung der davon verursachten Gasströmung steuert.
Membranvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der bewegliche Teil (18; 18') des Aktuators (16; 16') mit dem Ventilkörper (13; 15) in beiden Bewegungsrichtungen des Ventilkörpers (13; 15) kraftübertragend gekuppelt ist.
Membranvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (13; 15) am beweglichen Teil (18; 18') des Aktuators (16; 16') angebracht ist.
Membranvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der bewegliche Teil (18; 18') des Aktuators (16; 16') mit dem Ventilkörper (13; 15) nur in einer Bewegungsrichtung des Ventilkörpers (13; 15) kraftübertragend gekuppelt ist und dass der Ventilkörper (13; 15) in der anderen Bewegungsrichtung des Ventilkörpers (13; 15) federvorgespannt ist.
Membranvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der bewegliche Teil (18; 18') des Aktuators (16; 16') in einer Bewegungsrichtung des beweglichen Teils (18; 18') federvorgespannt ist.
Membranvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator (16; 16') als Solenoid, als Piezoaktuator oder als magnetostriktiver Aktuator ausgeführt ist.
Membranvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator (16; 16') als Piezo-Biegeaktuator ausgeführt ist.
Membranvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass der fest montierte Teil (17; 17') des Aktuators (16; 16') in einer Aufnahme (21; 21') des Gehäusekopfes (5) angeordnet ist.
Vakuum-Pumpanordnung mit mehreren von der Vakuumseite zur Druckseite hin hintereinander geschalteten Membranvakuumpumpen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die von der Vakuumseite aus erste Membranvakuumpumpe und ggf. noch weitere anschließende Membranvakuumpumpen, aber nicht die zur Druckseite letzte Membranvakuumpumpe und ggf. noch weitere davor liegende Membranvakuumpumpen, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 ausgestaltet ist.