[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasballasteinrichtung für eine mehrstufige Verdrängerpumpe
nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
[0002] Mehrstufige Verdrängerpumpen mit je einem Einlaß- und Auslaßventil werden heute vermehrt
als Vorvakuumpumpen für Hochvakuumpumpen - wie z.B. Turbomolekularpumpen - eingesetzt.
Damit eine Hochvakuumpumpe ihre volle Leistungsfähigkeit erreicht, muß die zugehörige
Vorvakuumpumpe einen Druck von ca. 1-5 mbar erreichen. In der Regel sind dem abzupumpenden
Gas noch Dämpfe - z.B. Wasserdampf - beigemischt. Die Dämpfe können während des Verdichtungsvorganges
in der Vorpumpe kondensieren und werden somit nicht mehr weitergefördert. Um diesem
Effekt entgegenzuwirken, werden bei Drehschieberpumpen Gasballasteinrichtungen verwendet.
Dabei wird Gas aus der Atmosphäre in den Schöpfraum der Pumpe eingelassen. Durch die
besondere Konstruktion von Drehschieberpumpen bedingt, strömt das eingelassene Gas
nicht in den Ansaugraum der Pumpe und hat somit nur einen geringen Einfluß auf den
erreichbaren Enddruck. Auf diese Art wird das Problem der kondensierten Dämpfe bei
Drehschieberpumpen gelöst. Bei zweistufigen Drehschieberpumpen wird Gasballast nur
in die zweite Stufe eingelassen. Bei diesen Pumpen können Dämpfe ebenfalls in der
ersten Stufe kondensieren. Da aber mit jeder Umdrehung Öl in die nächste Stufe gefördert
wird, wird mit dem Öl auch Kondensat in die zweite Stufe gefördert, wo jenes wieder
verdampft und zusammen mit der Gasballastluft ausgestoßen wird.
[0003] Drehschieberpumpen sind aber durch die Tatsache, daß die Schöpfräume mit Öl abgedichtet
sind, in vielen Fällen keine optimale Lösung als Vorpumpen für Turbomolekularpumpen.
Durch die Entwicklung von Turbomolekularpumpen, welche als letzte Stufe - z.B. eine
Molekularpumpe nach Art einer Holweckpumpe - aufweisen, ist es gelungen, den Arbeitsbereich
einer solchen Pumpkombination nach höheren Drücken hin zu erweitern. Dadurch wird
es möglich, den Aufwand zur Erzeugung des Vorvakuums nach den Kriterien Pumpengröße
und Enddruck zu verringern. Insbesondere bietet sich die Möglichkeit, ölgedichtete
Vakuumpumpen durch trockene Pumpen - z.B. Membranpumpen - zu ersetzen. Diese haben
sich besonders dort bewährt, wo ölfreies Vakuum gefordert wird. Der Einsatz von Membranpumpen
als Vorpumpen ist in dem Zusammenhang besonders sinnvoll, wenn die Hochvakuumpumpe
eine magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe ist. In diesem Fall kommt das abzupumpende
Gas in keiner Phase des Pumpvorganges mit Schmiermittel in Berührung, und es können
keine flüchtigen Bestandteile, wie sie in Schmiermitteln meistens enthalten sind,
auf die Hochvakuumseite diffundieren und diese verunreinigen.
[0004] Da die Wände von Vakuumkammern immer mit Wasser beladen sind, gelangt dieses durch
die Turbomolekularpumpe in den Ansaugbereich und somit in den Schöpfraum der Membranpumpe.
Besonders beim Ausheizen von Vakuumkammern werden erhebliche Wassermengen freigesetzt,
die dann mit der Vorpumpe in die Atmosphäre gepumpt werden müssen. Ist der Wasserdampfdruck
beim Komprimieren in der ersten Stufe der Vorvakuumpumpe auf Grund der Temperaturverhältnisse
niedriger als der Druck im Zwischenvakuumraum der Vorvakuumpumpe, dann kondensiert
der Wasserdampf vor dem Auslaßventil und verdampft wieder beim Vergrößern des Pumpenraumes.
Dadurch reicht der Druck nicht aus, das Auslaßventil zu öffnen und der Vorvakuumdruck
steigt auf unzulässig hohe Werte an. Hierbei wird oft der höchstzulässige Vorvakuumdruck
der Turbomolelkularpumpe überschritten, so daß diese ihre Enddrehzahl nicht erreichen
kann und deshalb das Vakuum in der Vakuumkammer unter dem gewünschten Wert bleibt.
[0005] Der Einsatz von Gasballasteinrichtungen in der Weise, wie es bei Drehschieberpumpen
geschieht, ist hier nicht sinnvoll. Membranpumpen und Hubkolbenpumpen oder vergleichbare
Konstruktionen weisen nicht die Besonderheit von Drehschieberpumpen auf, daß das durch
das Gasballastventil einströmende Gas vom Ansaugbereich abgesperrt wird. Der Gasballast
müßte direkt in den Schöpfraum der ersten Stufe eingelassen werden, was zu einer unzulässigen
Erhöhung des Enddruckes führen würde. Man kann die einzulassende Gasmenge durch einen
sehr engen Drosselquerschnitt verringern. Dabei ist aber die Gefahr der Verstopfung
groß, so daß die Betriebssicherheit eingeschränkt wird. Auch mit einem gesteuerten
Ventil könnte man verhindern, daß durch den Gasballast der Druck im Schöpfraum verschlechtert
wird. Dies erhöht jedoch die Kosten des Systems erheblich.
[0006] Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasballastsystem für mehrstufige Vakuumpumpen
- z.B. Membranpumpen oder Hubkolbenpumpen - zu entwickeln. Dabei soll eine ausreichende
Menge von Gas in den Schöpfraum der ersten Stufe geleitet werden ohne daß das Endvakuum
in unzulässiger Weise beeinträchtigt wird und ohne daß enge Drosselquerschnitte verwendet
werden müssen. Zusätzliche teure Komponenten sollen vermieden werden, um den finanziellen
Aufwand in Grenzen zu halten.
[0007] Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. Patentanspruches gelöst.
Die Ansprüche 2 und 3 stellen weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.
[0008] Bei Gaseinlaß in den Schöpfraum nach Anspruch 1 bleibt die Abdichtung zur Vakuumkammer
beim Ausschalten der Vorpumpe erhalten bzw. wird durch den ansteigenden Druck im Schöpfraum
noch verbessert. Dies ist bei Intervallbetrieb sinnvoll. Durch die dauernde Förderung
von Gas durch das Auslaßventil der ersten Stufe wird das Verkleben dieses Ventils
verhindert.
[0009] Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird ein effektives Gasballastsystem für die
oben beschriebenen Vorvakuumpumpen bereitgestellt, bei welchen das Gas in den Zwischenvakuumraum
eingelassen und über Drosselstellen so dosiert wird, daß keine wesentliche Beeinträchtigung
der Pumpeigenschaften und des Enddruckes stattfindet.
[0010] An Hand der einzigen Abbildung soll die Erfindung am Beispiel einer zweistufigen
Verdrängerpumpe, die hier als Hubkolbenpumpe dargestellt ist, näher erläutert werden.
Die Verhältnisse gelten entsprechend für Membranpumpen.
[0011] In der Abbildung ist eine zweistufige Verdrängerpumpe mit den beiden Stufen 1 und
2 dargestellt. Bei der ersten Stufe 1 ist das Einlaßventil mit 3 und das Auslaßventil
mit 4 bezeichnet. Die beiden Stufen sind über den Zwischenvakuumraum 5 miteinander
verbunden. Zum Gaseinlaß in den Zwischenvakuumraum ist eine erste Anordnung 6 vorgesehen,
welche mit einer Drosselstelle 9 versehen ist. Zur Verbindung vom Zwischenraum 5 mit
dem Schöpfraum 8 dient eine zweite Anordnung 7, welche mit einer Drosselstelle 10
versehen ist. Anstelle dieser Verbindung kann auch der Zwischenraum 5 mit dem Ansaugbereich
12 über die Anordnung 7' mit der Drosselstelle 10' verbunden werden.
1. Gasballasteinrichtung für eine mehrstufige Verdrängerpumpe, wobei die erste Stufe
(1) aus einer oder mehreren parallel geschalteten Verdrängerpumpstufen besteht und
mit Einlaßventil (3) und Auslaßventil (4) ausgestattet ist und mit den nachfolgenden
Stufen über Zwischenvakuumräume (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine
erste Anordnung (6) zum Gaseinlaß so angebracht ist, daß Gas in den Zwischenvakuumraum
(5) eingelassen werden kann und daß eine zweite Anordnung (7) so angebracht ist, daß
Gas aus dem Zwischenvakuumraum (5) in den Schöpfraum (8) der ersten Stufe (1) eingelassen
werden kann.
2. Gasballasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anordnung
(7') so angebracht ist, daß Gas aus dem Zwischenvakuumraum (5) anstatt in den Schöpfraum
(8) der ersten Stufe in den Ansaugbereich (12) der ersten Stufe (1) eingelassen werden
kann.
3. Gasballasteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
eine der Anordnungen (6, 7) bzw. (6, 7') mit einer Drosselstelle (9, 10) bzw. (9,
10') ausgerüstet ist.
