EINTRITTSVENTIL MIT DROSSELEFFEKT UND MEHRSTUFIGE KOLBENVAKUUMPUMPE
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Eine als Kolbenpumpe ausgebildete Vakuumpumpe dieser Art ist aus der US-A-48 54 825 bekannt. Bei dieser Pumpe nach dem Stand der Technik sind eintrittsseitig zwei zylindrische Kompressionskammern von zwei der vier gestuften Zylinder parallel geschaltet und bilden eine erste Pumpstufe. Die zylindrische Kompressionskammer eines dritten Zylinders bildet die zweite Stufe der Pumpe. Die ringförmigen Kompressionskammern der drei Zylinder, deren zylindrische Kompressionskammern die erste und die zweite Pumpstufe bilden, sind nicht mit Einlassen ausgerüstet; sie haben keine Pumpfunktion. Die zylindrische Kompressionskammer des vierten Zylinders bildet eine dritte Stufe der Vakuumpumpe. Ihr Auslaß steht unmittelbar mit dem Austritt der Pumpe in Verbindung. Die ringförmige Kompressionskammer dieses Stufen-Zylinders hat zwar ebenfalls Pumpfunktion; sie bildet jedoch zusammen mit ihrem Einlaß und ihrem Auslaß lediglich einen Bypass zu den aus der dritten Pumpstufe dem Austritt unmittelbar zuströmenden Gase, d.h., daß nur ein Teil der aus dem Auslaß der dritten Pumpstufe austretenden Gase über diese ringförmige Kompressionskammer zum Austritt der Pumpe gelangt. Eine echte vierte Pumpstufe bildet diese ringförmige Kompressionskammer nicht.
Bei der beschriebenen Kolbenvakuumpumpe im besonderen und auch bei anderen ein- und mehrstufigen Vakuumpumpen im allgemeinen besteht das Problem, daß in einer ersten Pumpphase, ausgehend von Atmospharendruck, relativ große Gasmengen anfallen. Diese werden durch die Pumpe gefordert und von der oder den Pumpstufen komprimiert, was störende, häufig schädliche Überdrucke in der Pumpe zur Folge hat. Bei der aus der US-A-48 54 825 bekannten Pumpe werden Überdrucke dieser Art dadurch vermieden, daß der Auslaß der ersten Pumpstufe über eine Bypasslei- tung unmittelbar mit einem als Ruckschlagventil ausgebildeten Auslaßventil verbunden ist. Diese Losung ist technisch aufwendig und setzt die Existenz von zwei Aushilfsventilen voraus.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Vakuumpumpe infolge des Anfallens großer Gasmengen entstehende Überdrucke m einfacher Weise zu vermeiden .
Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe durch die kennzei- chenden Merkmale der Patentansprüche gehört .
Ein differenzdruckgesteuertes Eintrittsventil der erfindungsgemäßen Art ist einfach und robust. Bauliche Maßnahmen in der Vakuumpumpe und/oder ein zweites Austrittsventil sind nicht erforderlich.
Besonders zweckmäßig ist der Einsatz der Erfindung in einer mehrstufigen Kolbenvakuumpumpe, wie sie beispielsweise aus der US-A-48 54 825 bekannt ist. Dieses gilt insbesondere dann, wenn sie entsprechend den Ansprüchen 11 bis 14 ein verbessertes Saugvermogen und eine verbesserte Kompression aufweist.
Dadurch, daß eintrittsseitig vier Kompressionskammern parallel geschaltet sind, ergibt sich ein besonders ho-
hes Ansaugvermögen. Außerdem wird durch insgesamt vier Pumpstufen mit insgesamt acht Kompressions kammern eine hohe Kompression erreicht. Mit Pumpen der erfindungsgemäßen Art lassen sich Enddrücke von 10-'*- mbar bei relativ hohem Saugvermögen erzeugen, so daß sie bei Applikationen, bei denen Arbeitskammern immer wieder relativ schnell auf niedrige Drücke evakuiert werden müssen, wie zum Beispiel die Schleusen von Halbleiter-Beschichtungs- anlagen, besonders geeignet sind. Bei der Herstellung der Zylinder-Kolben-Systeme müssen besonders hohe Toleranzen nicht eingehalten werden. Der Grund dafür liegt in der besonderen Zuordnung der Kompressionskammern. Während des Betriebs der drei Zylinder-Kolben-Systeme, welche die ersten beiden Pumpstufen bilden, herrschen jeweils in den vom Kolben getrennten Kompressionskammern etwa gleiche Drücke, so daß an die Abdichtung zwischen Zylinder und Kolben keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen. Beim vierten Zylinder-Kolben-System treten zwar unterschiedliche Drücke in den beiden Kompressionskammern auf; da dieses Zylinder-Kolben-System jedoch austrittsseitig gelegen ist, sind die auftretenden Druckverhältnisse nicht mehr hoch.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 und 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Es zeigen
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine als Kolbenpumpe ausgebildete Vakuumpumpe nach der Erfindung,
Figur 2 eines der eintrittsseitig gelegenen Zylinder-Kolben-Systeme mit einem differenzdruckgesteu- erten Eintrittsventil,
Figuren 3 bis 7 weitere Ausführungsbeispiele für differenzdruckgesteuerte Ventile und
Figur 8 ein Diagramm, in dem das Saugvermögen in Abhängigkeit vom Einlassdruck dargestellt ist.
Die in Figur 1 dargestellte KolbenVakuumpumpe 1 umfaßt das Gehäuse 2, den Eintritt 3 und den Austritt 4. Innerhalb des Gehäuses befinden sich vier Zylinder-Kolben-Systeme 11, 21, 31 und 41, die im wesentlichen identisch ausgebildet sind. Sie sind derart paarweise einander gegenüberliegend - vorzugsweise in einer Ebene - angeordnet, daß ihre Kolben über eine gemeinsame Kurbelwelle 5 angetrieben werden können. Der Antriebsmotor ist mit 6 bezeichnet .
Das Zylinder-Kolben-System 11 weist den Zylinder 12 und den Kolben 13 auf. Beide sind gestuft, so daß sie in an sich bekannter Weise eine zylindrische Kompressionskammer 14 und eine ringförmige Kompressionskammer 15 bilden. Die zylindrische Kompressionskammer 14 weist den Einlaß 16 und den Auslaß 17, die ringförmige Kompressionskammer 15 den Einlaß 18 und den Auslaß 19 auf. Die Einlasse 16 und 18 sind als Ringnuten in der Wandung des Zylinders 12 ausgebildet, so daß die Bewegung des Kolbens 13 das Öffnen und Schließen der Einlasse bewirkt. Die Auslässe 17 und 19 sind mit im einzelnen nicht dargestellten Ventilen ausgerüstet.
Die Zylinder-Kolben-System 21, 31 und 41 sind entsprechend ausgebildet und mit korrespondierenden Bezugszeichen versehen.
Entsprechend dem Erfindungsvorschlag ist der Eintritt 3 über die Leitung 51 - z.B. mit dem Ventil 52 - mit den Einlassen 16, 18, 26, 28 der Kompressionskammern 14, 15, 24 und 25, welche Bestandteile der Kolben-Zylinder-Sy-
steme 11 und 21 sind, verbunden. Die genannten, parallel geschalteten Kompressionskammern bilden eine erste Pumpstufe der KolbenVakuumpumpe 1, angedeutet durch die strichpunktierte Linie 54. Die sich an die Auslasse 17, 19, 27 und 29 der Kompressionskammern der ersten Stufe anschließenden Leitungen munden samtlich in die Leitung 55, die mit den Einlassen 36, 38 der Kompressionskammern 34, 35 verbunden sind. Diese sind Bestandteile des Kolben-Zylinder-Systems 31. Die ebenfalls parallel geschalteten Kompressionskammern 34, 35 bilden die zweite Pumpstufe der Kolbenvakuumpumpe 1, angedeutet durch die strichpunktierte Linie 57. Die sich an die Auslasse 37, 39 der Kompressionskammern 34, 35 anschließenden Leitungen munden in die Leitung 59, die mit dem Einlaß 46 der zylindrischen Kompressionskammer 44 verbunden ist, welche Bestandteil des Zylinder-Kolben-Systems 41 ist. Diese Kompressionskammer 44 bildet die dritte Pumpstufe der Kolbenvakuumpumpe 1 (siehe strichpunktierte Linie 61) . Der Auslaß 47 der Kompressionskammer 44 steht über die Leitung 62 mit dem Einlaß 48 der ringförmigen Kompressionskammer 45 in Verbindung, welche ebenfalls Bestandteil des Kolben-Zylinder-Systems 41 ist. Der Auslaß 49 der ringförmigen Kompressionskammer 45 steht mit dem Austritt 4 der Kolbenvakuumpumpe 1 in Verbindung. Die Kompressionskammer 45 bildet die vierte Pumpstufe der Kolbenvakuumpumpe 1 (gestrichelte Linie 63) .
Angedeutet ist in Figur 1 noch eine Düse 64, über die der Kompressionsraum 45 mit dem Inneren des Gehäuses 2 der Pumpe 1 in Verbindung steht. Die Große der Düse 64 ist so gewählt, daß sich im Gehäuse 2 ein Unterdruck von wenigen hundert Milibar einstellt. Die Anforderungen an die Dichtqualitat des Spaltes zwischen den Kolben und den Zylindern in ihren dem Gehäuseinnern benachbarten Bereichen können dadurch weiter reduziert werden.
Figur 2 zeigt nochmals das Kolben-Zylinder-System 11 mit seinen Kompressionskammern 14 und 15. Die Einlasse 16 und 18 dieser Kammern stehen (zusammen mit den Einlassen 26, 28 des zweiten Kolben-Zylinder-Systems 21) über das Ventil 52 mit dem Eintritt 3 der Vakuumpumpe in Verbindung.
Das Ventil 52 erfüllt die Funktion, die in einer ersten Pumpphase anfallenden, relativ großen Gasmengen zu drosseln bzw. in solchem Umfang zeitweise zurückzuhalten, daß Überdrücke in der Pumpe 1 nicht auftreten. Dazu weist das Ventil 52 eine Kammer 65 mit einer Einlaßöffnung 66, einer Auslaßoffnung 67 und einer Durchtrittsoffnung 72 auf. In Hohe der Durchtrittsoffnung 72 ist die Kammer kegelförmig gestaltet. In der Kammer 65 befindet sich ein Verschlußkorper 68 mit einer zentralen Bohrung bzw. Öffnung 69. Mit Hilfe von zwei axial angeordneten Federn, vorzugsweise Druckfedern 70 und 71 ist der austrittsseitig kugelförmig gestaltete Verschlußkorper 68 verdrehsicher gefuhrt. Ohne Gasstromung halten die Druckfedern den Verschlußkorper in der Schwebe.
Figur 3 zeigt eine Abwandlung des Ventiles 52 nach Figur 2. Der Verschlusskorper 68 ist als Scheibe ausgebildet. Ihrem äußeren Rand ist ein die Durchtrittsoffnung 72 umgebender Dichtring 73 zugeordnet.
Zur Funktion der Ventile 52 nach den Figuren 2 und 3 folgendes :
Ist der Druck im zu evakuierenden Rezipienten, angeschlossen an den Eintritt 3, hoch, z.B. Atmospharen- druck, liegt der etwa halbkugelformige Verschlußkorper 68 nach Figur 2 dem kegelförmigen Abschnitt der Kammer 65 an (obere Darstellung des Ventils 52 m Figur 2) . Beim Ventil nach Figur 3 liegt die Scheibe 68 der Dichtung 73 auf. Die Durchtrittsoffnungen 72 sind jeweils -
bis auf die Bohrung bzw. Öffnung 69 - geschlossen. Nur durch die Bohrung bzw. Öffnung 69 hindurchtretendes Gas gelangt m die Pumpe 1. Das Saugvermogen ist gedrosselt. Große und Lange der Bohrung bzw. Öffnung 69 sind so gewählt, daß Überdrucke m der Pumpe 1 nicht auftreten.
Nimmt der Druck eintrittsseitig ab, hebt sich der Verschlußkorper 68 von seinem Sitz ab, so daß er von Gasen umströmt werden kann. Der Stromungsquerschnitt 72 im Bereich des Ventils 52 nimmt drastisch zu, so daß das Saugvermogen der Pumpe 1 durch das Ventil 52 nicht mehr begrenzt ist. Mit Hilfe der der Druckfedern 70 und 71 ist der Differenzdruck, bei dem das Abheben des Ver- schlußkorpers 68 von seinem Sitz erfolgt, einstellbar.
Die Figuren 4 bis 7 zeigen weitere Varianten für ein druckabhangiges Einlassventil 52. Als Verschlusskorper sind elastische Scheiben 74 bis 77 vorgesehen, die nur an einer Stelle am Gehäuse befestigt sind. Die Scheiben 74, 76 und 77 weisen zentrale Offnungen 78, 79 bzw. 80 auf. Beim Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 5 ist der Scheibe 75 eine standig offene Bypass-Offnung 81 zugeordnet. Den äußeren Randern der Scheiben 74 bis 77 sind jeweils den Durchtrittsquerschnitt 72 bzw. 72' umgebende Sitze 82 bis 85 zugeordnet. Die elastischen Ventilschei- ben sind derart in Richtung Eintπttsoffnung 66 gekrümmt, dass sie nur im Bereich ihres Befestigungspunktes ihren Sitzen anliegen. In ihrer Ruhestellung geben sie damit die eweilige Durchtrittsoffnung 72 bzw. 72' im wesentlichen frei.
Zur Funktion: Ist der Druck im zu evakuierenden Rezi- pienten hoch, z.B. Atmospharendruck, liegen die Scheiben 74 bis 77 jeweils ihren Sitzen 82 bis 85 vollständig auf. Das Saugvermogen ist jeweils gedrosselt. Es wird bestimmt durch die Große der Offnungen 78, 79, 80 m den Scheiben 74, 76, 77 bzw. durch die Bypass-Offnung 81
(beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5) . Nimmt der Druck eintrittsseitig ab, heben die Scheiben 74 bis 77 von ihren Sitzen 82 bis 84 ab und geben jeweils ihre Durchlassquerschnitte 72 bzw. 72' frei. Das volle Saugvermögen steht dann zur Verfügung.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 6 sind zwei Ventilsysteme 76, 84 und 77, 85 hintereinander angeordnet. Die Öffnung 79 in der ansaugseitigen Scheibe 76 ist größer als die Öffnung 80 in der auslassseitigen Scheibe 77.
Die Ausführung nach Figur 7 entspricht der Ausführung nach Figur 5. Anstelle der elastischen Scheibe 75 ist eine starre Scheibe 8 vorgesehen. Mit zwei im wesentlichen einander gegenüberliegenden Stellen des Randes ist sie am Ventilsitz 83 befestigt. Die Befestigungspunkte der Scheibe 88 stehen unter der Wirkung von Federn 89 und 90, und zwar derart, dass eine der Federn (Feder 89) in Schließrichtung, die andere (Feder 90) in Öffnungsrichtung wirkt.
Figur 8 zeigt den Verlauf des Saugvermögens S in Abhängigkeit zum Druck p für die Lösungen nach den Figuren 2 bis 5 (ausgezogene Kurve 86) und für die Lösung nach Figur 6 (strichpunktierte Kurve 87), bei welcher zwei Ventilsysteme 76, 83 und 77, 84 hintereinander angeordnet sind.
Bei den Lösungen mit einem einfachen Ventilsystem ist das Saugvermögen bei hohen Drücken (größer p*^) niedrig. Bei p]_ geben die Verschlusskörper bzw. Scheiben 68, 74, 75 ihre Durchtrittsöffnungen 72 jeweils frei. Das Saugvermögen steigt bis auf seinen maximalen Wert an. Bei der Lösung nach Figur 6 gibt bei P2 zunächst die Ventilscheibe 76 ihre zugehörige Durchtrittsoffnung 72 frei. Das Saugvermögen steigt auf einen Wert, der durch die Öffnung 80 in der ihrem Sitz 85 noch aufliegenden
Scheibe 77 bestimmt ist. Nimmt der Druck weiter ab auf P3, gibt auch die Scheibe 76 ihre Durchtrittsoffnung 72' frei, so dass das Saugvermogen seinen maximalen Wert annimmt .