DE10225774C1 - Vakuumpumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit einer ersten Pumpstufe (1) und einer zweiten Pumpstufe (2), wobei die erste Pumpstufe (1) vakuumseitig und die zweite Pumpstufe (2) druckseitig angeordnet ist, und wobei die beiden Pumpstufen (1, 2) hintereinander geschaltet sind, wobei die zweite Pumpstufe (2) als Membranpumpstufe mit mindestens einer Membranpumpeneinheit (3) ausgestaltet ist. Es wird vorgeschlagen, daß die erste Pumpstufe (1) als Scrollpumpstufe mit mindestens einer Scrollpumpeneinheit (4) ausgestaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe zum Fördern von kondensierenden oder aggressiven Gasen oder Dämpfen mit einem Endvakuum im Bereich 10 ² Pa bis 10^-2 Pa (Feinvakuumbereich) gemäß dem Oberbegriff von Patentan­ spruch 1.

Zahlreiche Prozesse in Forschung und Industrie erfordern ein Vakuum im Be­ reich 10 ² Pa bis 10^-2 Pa, wobei kondensierende und/oder aggressive Dämpfe oder Gase gefördert werden müssen. Zur Erzeugung eines Unterdrucks in die­ sem Bereich werden oft flüssigkeitsgedichtete oder -geschmierte Vakuum­ pumpen wie beispielsweise ölgedichtete Drehschieberpumpen eingesetzt. Die Verwendung von solchen Pumpen, bei denen das gepumpte Medium mit Öl oder anderen Flüssigkeiten in Berührung kommt, hat zahlreiche Nachteile. So können die gepumpten Medien den Schmierstoff verunreinigen oder mit ihm reagieren, was die Schmier- und Dichtwirkung herabsetzt. Rückströmung von gasförmigen Komponenten oder Zersetzungsprodukten des Schmierstoffes in die Prozeßanlage kann die dortigen Prozesse empfindlich stören. Aus diesem Grund wird seit langem an der Entwicklung sogenannter "trockener" Vaku­ umpumpen, also von Pumpen, bei denen die gepumpten Medien mit keiner Flüssigkeit in Berührung kommen, gearbeitet.

Beispielsweise werden häufig sogenannte Wälzkolbenpumpen, Klauenpum­ pen sowie Schraubenpumpen eingesetzt. Alle diese Pumpen beruhen auf dem berührungslosen Ablaufen zweier geeignet geformter Vorrichtungen (Kolben bzw. Schrauben) zueinander. Die Vorrichtungen müssen exakt synchronisiert und mit hoher Präzision zueinander ablaufen, was ein externes Getriebe oder zwei synchronisierte Motoren erfordert. Die Bauart ist sehr aufwendig, teuer und erfordert die Abdichtung der Getriebe bzw. Motoren zum Schöpfraum mit Wellendichtringen. Solche Wellendichtringe weisen eine begrenzte Lebens­ dauer sowie geringe Chemikalienbeständigkeit auf. Häufig kommt es nach ei­ niger Betriebszeit zu Leckagen aus dem ölgefüllten Getrieberaum in den Schöpfraum.

Molekularpumpen beruhen auf dem Fördern der Gasteilchen in engen Spalten mit einer sehr schnell bewegten Wand. Diese Pumpen reagieren sehr emp­ findlich auf Kondensate und Partikel und sind für viele Anwendungen mit kondensierbaren Dämpfen oder aggressiven Medien nicht geeignet. Auch die Abdichtung des Motors sowie der Lager des schnell rotierenden Rotors zum Schöpfraum ist problematisch.

Kolbenpumpen erreichen durch ihr hohes Verdichtungsverhältnis und die ein­ fache Möglichkeit, die Ventile durch den Kolben selbst zu steuern, Enddrücke im 1 Pa Bereich. Die Kolbendichtung ist jedoch eine gleitende Dichtung. Die­ se Dichtungen weisen eine vergleichsweise hohe Leckrate auf, d. h. der Schöpfraum ist nicht hermetisch vom Antriebsraum (mit beispielsweise fett­ geschmierten Lagern) getrennt. Dies kann sowohl eine Verunreinigung der gepumpten Medien durch Öle oder Fette, als auch Korrosion im Antriebsraum infolge aggressiver gepumpter Medien hervorrufen. Darüber hinaus reagieren diese Dichtungen sehr empfindlich auf Kondensate und Partikel.

Bekannt ist bereits ein Vakuumpumpstand (DE 195 00 823 A1) mit einem Radialgebläse als erster Vakuumpumpe und einem Drehkolbengebläse oder einer Wasseringpumpe als zweiten Vakuumpumpe. Vorgesehen sind ein By­ pass und eine Steuerung. Weiter ist auch eine Kombination aus einer Schrau­ benvakuumpumpe und einer Drehschiebervakuumpumpe zu einer zweistufi­ gen Vakuumpumpenvorrichtung bekannt. Auch dort ist eine Steuerungseinheit vorhanden, die die Einstellung der Drehzahl jeder Pumpe auf der Grundlage des ermittelten Druckes ermöglicht (DE 87 17 934 U1).

Eine verbreitete Bauart von Feinvakuumpumpen sind sogenannte Scrollpum­ pen. Diese beruhen auf dem Fördern des Mediums in sichelförmigen Volumi­ na, die durch einen im Querschnitt spiralförmigen, in axialer Richtung quasi­ zylindrischen Rotor, und einen gleichartigen spiralförmigen Stator gebildet werden (US 801,182). Die bewegliche Spirale wird durch einen exzentrischen Antrieb sowie einen Mechanismus, der die Spirale am Mitdrehen hindert, in eine orbitierende Bewegung versetzt. Die sichelförmigen Volumina wandern durch die orbitierende Bewegung der bewegten Spirale vom Einlaß zum Aus­ laß der Scrollpumpe und nehmen dabei das eingeschlossene Medium mit. Die Abdichtung der quasizylindrischen Seitenwände der Spiralen gegeneinander erfolgt durch enge Spalte. Die Dichtungslänge ist infolge der nahezu tangen­ tialen Annäherung zwischen den quasizylindrischen Außenflächen des Rotors mit den Innenflächen des Stators sehr lang im Vergleich zum Spaltmaß. Die Rückströmung über die Seitenflächen der Spiralen ist daher relativ gering. Im Gegensatz dazu ist die Dichtungslänge an den Stirnseiten der Spiralen sehr kurz. Die hohe Rückströmung an diesen kurzen Spalten erfordert zwei schlei­ fende Dichtungen an den jeweiligen Stirnseiten der ineinandergreifenden Spi­ ralen, die oft als federnd gelagertes PTFE ausgeführt sind (US 3,994,636).

Scroll-Vakuumpumpen besitzen den grundsätzlichen Vorteil, daß sie die Möglichkeit bieten, mit nur einem bewegten Teil - dem Rotor - ein Vakuum aufzubauen, und daß dieser Rotor keine drehende, sondern nur eine orbitie­ rende Bewegung ausführt. Scrollpumpen können somit prinzipiell ohne spalt­ aufweisende Drehdurchführung sowie ohne Getriebe zum synchronen Antrieb mehrerer Wellen konstruiert werden.

Nachteilig ist jedoch, daß zur Erzielung der gewünschten vakuumtechnischen Daten die beschriebenen schleifenden Dichtungen an den Stirnseiten der Spi­ ralen notwendig sind. Diese Dichtungen reagieren sehr empfindlich auf Kon­ densate und Partikel und weisen nur eine begrenzte Lebensdauer auf. Darüber hinaus wird häufig im Schöpfraum nach einiger Betriebszeit Abrieb von den Dichtungen in Form von Staub beobachtet, der sowohl die Funktion der Pum­ pe selbst als auch angeschlossene Prozesse stören kann.

Eine Reduzierung der oben genannten Nachteile bringt eine bekannte zweistu­ fige Anordnung mit sich, bestehend aus einer ersten Scrollpumpe ohne schlei­ fende Dichtungen an den Spiralstirnseiten ("dichtungslos") als Hochvakuum­ stufe sowie einer zweiten Scrollpumpstufe mit schleifenden Dichtungen als Vorstufe, die gegen Atmosphärendruck komprimiert (US 5,616,015). Da die "dichtungslose" Scrollpumpstufe nicht gegen Atmosphäre verdichten muß, genügt die Abdichtung der Spiralstirnseiten mittels enger Spalte. Dies liegt daran, daß bei tiefen Drücken die Abdichtung mittels enger Spalte infolge des Übergangs in das Molekularströmungsregime sehr viel effizienter wird.

Durch den Verzicht auf die schleifenden Dichtungen in der vakuumseitigen Hochvakuumstufe kann die Staubentwicklung reduziert werden, sie läßt sich in diesem Fall jedoch nicht gänzlich vermeiden, da die druckseitige Scroll­ pumpstufe weiterhin schleifende Dichtungen aufweist. Darüber hinaus löst diese Anordnung nicht die oben beschriebene Empfindlichkeit der Scrollpum­ pe gegen Kondensation, da diese bevorzugt in der Vorstufe (bei höheren Drücken), und damit im Bereich der schleifenden Dichtungen auftritt.

Scrollpumpen weisen häufig eine Lagerung am Außenumfang des orbitieren­ den spiralförmigen Rotors auf. Diese Lagerung dient der Abstützung des Ro­ tors gegen die Gaskräfte sowie der Fixierung des Rotors gegen Mitdrehen. Bei einer solchen Anordnung sind die meist fettgeschmierten Lager nur durch eine gleitende Dichtung vom Schöpfraum getrennt, wodurch einerseits Kohlenwas­ serstoffe in den Schöpfraum diffundieren können, andererseits bei aggressiven Medien eine Beschädigung der gleitenden Dichtung zum Ausfall des Lagers fuhren kann. Dies kann durch eine Abdichtung des Antriebsbereiches mittels eines Metall- oder Polymerbalgs vermieden werden (EP 1 055 824 A1).

Bei höheren Drücken, d. h. im Bereich 10 ⁵ Pa bis 10² Pa, sind Membranpum­ pen vorteilhaft, da der Schöpfraum durch die umlaufende Membranein­ spannung hermetisch abgedichtet ist und sich die medienberührten Teile der Pumpe aus chemisch beständigen Materialien wie beispielsweise Fluorkunst­ stoffen herstellen lassen. Durch das begrenzte Verdichtungsverhältnis und die meist nur durch die Gasströmung betätigten Ventile lassen sich Drücke unter­ halb 50 Pa jedoch nur schwer erreichen. Dieses Vakuum ist für Anwendun­ gen, die Feinvakuum benötigen, nicht ausreichend.

Für Membranpumpen und Kolbenvakuumpumpen sowie für kombinierte Membran-/Kolbenvakuumpumpen sind Werkstoffe entwickelt worden, die für mit aggressiven Medien in Berührung kommende Bauteile geeignet sind (DE 100 24 127 C1).

Eine Möglichkeit, die Vorzüge der Membranpumpe auch im Feinvakuumbe­ reich ausnutzen zu können, zeigt die bekannte Vakuumpumpe, von der die vorliegende Erfindung ausgeht (DE 37 10 782 A1). Hier ist eine wenigstens zweistufige Vakuumpumpe vorgesehen, wobei druckseitig eine Membran­ pumpe und vakuumseitig eine ölgedichtete Vakuumpumpe, vorzugsweise eine Drehschieberpumpe, angeordnet ist. Dabei ist der Ausgang der Drehschieber­ pumpe mit dem Eingang der Membranpumpe verbunden. Es wird hier offen­ bart, daß die Membranpumpe an ihrem Eingang einen Druck erzeugt, der dem Taupunkt des jeweiligen abzupumpenden Mediums entspricht, so daß eine Kondensation in der Drehschieberpumpe weitgehend vermieden wird. Es handelt sich hierbei allerdings, soweit es die Drehschieberpumpe betrifft, um eine flüssigkeitsgedichtete Vakuumpumpe mit den oben erläuterten Nachtei­ len.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, die bekannte Vakuumpumpe derart auszugestalten und weiterzubilden, daß die Vorzüge ei­ ner trockenen Vakuumpumpe für den Bereich von Atmosphärendruck bis Feinvakuum erzielt werden, daß die Vakuumpumpe in der Lage ist, auch kon­ densierende Dämpfe sowie aggressive Gase zu pumpen und daß die Vakuum­ pumpe zugleich wirtschaftlich herzustellen und zu betreiben ist.

Die zuvor aufgezeigte Problemstellung wird durch eine Vakuumpumpe gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 mit den Merkmalen des kennzeich­ nenden Teils von Patentanspruch 1 gelöst.

Wesentlich ist zunächst, daß die druckseitig angeordnete Membranpumpstufe mit einer vakuumseitig angeordneten Scrollpumpstufe gekoppelt ist und daß beide Pumpstufen hintereinander geschaltet sind. Dabei weist die Scroll­ pumpstufe mindestens eine Scrollpumpeneinheit und die Membranpumpstufe mindestens eine Membranpumpeneinheit auf.

Wie oben beschrieben, sind Membranpumpen seit langem als völlig trockene Pumpen für anspruchsvolle Anwendungen in der Chemie bekannt. Durch die hermetische Abdichtung des Schöpfraums vom Antriebsraum sowie der Ver­ wendung von chemisch hochbeständigen Materialien wie PTFE (z. B. Teflon) und anderen Fluorkunststoffen für alle medienberührten Bestandteile der Pumpe weisen diese Membranpumpen, die dann als Chemie-Membranpumpe bezeichnet werden, eine nahezu universelle chemische Beständigkeit auf. Darüber hinaus sind solche Pumpen vergleichsweise unempfindlich gegen­ über Kondensation innerhalb der Pumpe, insbesondere bei Betrieb mit Gas­ ballast, ebenso gegen angesaugte Partikel. Wie oben erläutert, erreicht das Endvakuum etwa 50 Pa.

Die oben genannten Vorzüge einer Membranpumpe in allgemeinen kommen durch die vorgeschlagene Kombination einer Membranpumpstufe mit einer Scrollpumpstufe nun auch im Feinvakuumbereich zu tragen. Scrollpumpen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß die oben beschriebenen Nachteile flüssigkeitsgedichteter Pumpen weitgehend vermieden werden.

Es gibt natürlich eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu darf auf die Unteransprüche verwie­ sen werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Scrollpumpstufe ohne schleifende Dichtungen mit den damit verbundenen, in der Beschrei­ bungseinleitung erläuterten Vorteilen auszugestalten. Es stellt sich überra­ schenderweise heraus, daß durch den Übergang von schleifenden Dichtungen auf "Spalt-Dichtungen" an den Stirnseiten der Spiralen (Rotor und Stator) in der Scrollpumpstufe der erzielbare Enddruck der Kombination aus Scroll­ pumpstufe und Membranpumpstufe nicht oder nur unwesentlich nachteilig beeinflußt wird. Dies liegt an der oben erwähnten besseren Dichtwirkung von Spalten bei tiefen Drücken. Dadurch ist es möglich, eine völlig berührungslos arbeitende Scrollpumpstufe einzusetzen. Somit sind die Bildung von Abrieb sowie der Verschleiß der schleifenden Dichtungen ausgeschlossen.

Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß der größte Teil der Kompressionsarbeit innerhalb der Membranpumpe geleistet wird. Es stellt sich heraus, daß eine an den Stirnseiten von Rotor und Stator dichtungslose Scrollpumpe mit typischerweise 0,05-0,2 mm Spalt an den Stirnseiten bei Betrieb ohne Vorpumpe nur ein sehr geringes Saugvermögen aufweist. Der Enddruck einer solchen Scrollpumpe liegt bei typischerweise < 500 hPa, vergleichen mit einem Enddruck < 1 hPa mit schleifender Dichtung. Die derartige "dichtungslose" Scrollpumpe weist im kritischen Bereich ober­ halb 10 hPa nur geringe Kompression auf, leistet also nur geringe Kompressi­ onsarbeit und erwärmt sich folglich wesentlich geringer als eine Scrollpumpe mit schleifender Dichtung. Dies erlaubt eine engere Auslegung der Toleranzen innerhalb der Scrollpumpe für bessere vakuumtechnische Eigenschaften, oder den Betrieb der dichtungslosen Scrollpumpstufe bei höheren Drehzahlen als mit Dichtung möglich ist, oder den Aufbau der Scrollpumpe aus chemisch be­ ständigeren Materialien, wie beispielsweise Kunststoffen, die üblicherweise höhere Wärmeausdehnungskoeffizienten als die meist verwendeten Metalle (oft Aluminiumlegierungen) aufweisen.

Die Membranpumpstufe weist eine oder mehrere untereinander verbundene und gemeinsam angetriebene Membranpumpeneinheiten auf und evakuiert den Ausstoßbereich der Scrollpumpstufe bei geringer Gaslast auf typischer­ weise unter 10 hPa. Dadurch wird eine Kondensation gepumpter Dämpfe bei den typischen Betriebstemperaturen (< 30°C) innerhalb der Scrollpumpstufe für die meisten Lösungsmittel vermieden. Damit reduziert sich die Kondensa­ tionsproblematik innerhalb der Scrollpumpstufe zusätzlich. Auch die Ablage­ rung von Feststoffen aus gepumpten Medien innerhalb der Scrollpumpstufe wird deutlich reduziert.

Für eine derartige Vakuumpumpe in Frage kommende Materialien müssen hohe chemische Beständigkeit, hohe mechanische und thermische Festigkeit sowie gute Bearbeitbarkeit zur Erzielung enger Toleranzen aufweisen. Solche Materialien können chemisch hochbeständige Fluorkunststoffe wie beispiels­ weise PTFE, ETFE, ECTFE oder PFA - ggf. verstärkt durch Füllstoffe wie Kohlenstoffpartikel, Kohlefaser oder andere Fasern - sein, oder andere che­ misch beständige - ggf. verstärkte - Kunststoffe wie beispielsweise PEEK, PPS, PP oder PE, oder auch Metalle mit einer chemisch beständigen Be­ schichtung aus derartigen Kunststoffen sein.

Um einen Angriff der Rotor-Lager der Scrollpumpstufe durch gepumpte Me­ dien auszuschließen, ist es vorteilhaft, die Antriebsseite der Scrollpumpstufe mittels eines Balges abzudichten. Da Metallbälge eine nur begrenzte Lebens­ dauer und eine nur beschränkte chemische Beständigkeit aufweisen, sieht die erfindungsgemäße Vakuumpumpe die Verwendung eines Balges aus PTFE oder chemisch beständigen elastischen Kunststoffen wie Perfluorelastomeren (FFKM) oder Sandwich-Anordnungen aus elastischen Kunststoffen wie FKM, EPDM oder NBR mit Folien aus chemisch beständigen Materialien wie PTFE vor. Bei einer Sandwich-Anordnung des Balgmaterials schützt die PTFE-Folie den darunter liegenden elastischen Kunststoff gegen chemischen Angriff.

Die Effizienz der Scrollpumpstufe wird wesentlich vom Verhältnis aus Rück­ strömungsverlusten - gegeben durch Spaltquerschnitte und Spaltlängen - zu Schöpfraumvolumen, also Spiralengröße, bestimmt. Dies bedeutet, "große" Scrollpumpen, seien sie mit oder ohne schleifende Dichtung, erreichen mit ge­ ringerem technischem Aufwand gute Enddrücke als "kleine" Scrollpumpen. Die Kosten für die Fertigung der Spiralen hängen eher von der Kleinheit der erforderlichen Toleranzen als von der Größe der Spirale ab. Zur Erzielung guter Enddrücke wird die Scrollpumpe bevorzugt auf ein nominelles Saug­ vermögen größer als 1 m³/h ausgelegt, während die Membranpumpe aus Wirt­ schaftlichkeitsgründen meist kleinere Saugvermögen als die Scrollpumpstufe aufweist. Daher ist erfindungsgemäß zwischen Scrollpumpstufe und Mem­ branpumpstufe optional ein Überdruckventil vorgesehen, welches bei hohen Ansaugdrücken das von der Scrollpumpstufe geförderte Gas direkt in den Auslaß der Membranpumpstufe abläßt, um die Membranpumpstufe nicht zu überlasten.

Eine weitere Verbesserung der Kompaktheit des Aufbaus der erfindungsge­ mäßen Vakuumpumpe ergibt sich dadurch, daß die Scrollpumpstufe und die Membranpumpstufe von einer gemeinsamen Antriebseinheit mit einem Motor und ggf. mit einem Getriebe angetrieben werden. Zur Erzielung eines höheren Saugvermögens kann die Scrollpumpstufe mittels eines zwischen die beiden Pumpstufen geschalteten Getriebes bei höherer Drehzahl als die Membran­ pumpe betrieben werden. Es ist aber auch denkbar, für jede Pumpstufe eine eigene Antriebseinheit vorzusehen.

Eine weitere Steigerung der Flexibilität und des Leistungsvermögens der er­ findungsgemäßen Vakuumpumpe bei gleichzeitig hoher Kompaktheit wird durch die Ausgestaltung der Antriebseinheit mit elektronisch kommutierenden Gleichstrommotoren erzielt. Solche Motoren sind kompakt, leistungsstark und drehzahlregelbar. Dies erlaubt bei hohen Ansaugdrücken den Motor der Membranpumpstufe mit hoher Geschwindigkeit zu betreiben, um ein hohes Saugvermögen in diesem Druckbereich zu erzielen. Die an den Stirnseiten von Rotor und Stator dichtungslose Scrollpumpstufe arbeitet in diesem Druckbereich infolge der geringen "Dichtwirkung" der Spalte an den Stirn­ seiten grundsätzlich nur ineffizient, d. h. das Saugvermögen wird von der Membranpumpstufe bestimmt. Bei tieferen Drücken kann die Drehzahl der Membranpumpstufe reduziert werden, während die Drehzahl der Scroll­ pumpstufe erhöht wird. Dies bewirkt eine volle Ausschöpfung der Leistungs­ fähigkeit der Scrollpumpstufe in diesem Druckbereich und die Erreichbarkeit eines sehr tiefen Endvakuums. Gleichzeitig wird die Membranstandzeit durch die reduzierte Drehzahl der Membranpumpstufe verlängert, da bei vielen An­ wendungen nach einem kurzen Abpumpzyklus ein langer Betrieb bei tiefen Drücken folgt. Bei hohen Ansaugdrücken geht ein großer Anteil der Gesamt­ leistung in den Antrieb der Membranpumpstufe, bei niedrigen Ansaugdrücken dagegen in den Antrieb der Scrollpumpstufe. Dies führt zu einem vergleichs­ weise konstantem mittlerem Leistungsbedarf an der Gleichspannungs­ versorgungseinheit. Zur druckabhängigen Ansteuerung der Antriebseinheit ist eine entsprechend programmierte Steuerung vorgesehen.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Einlaß der Scrollpumpstufe mit dem Einlaß der Membranpumpstufe mittels einer Bypaßanordnung mit einer Bypaßleitung und mit einer Ventilanordnung derart verbunden, daß bei hohen Ansaugdrücken der Einlaß der Scrollpumpstufe verschlossen ist und das zu fördernde Medium direkt von der Membranpumpstufe gefördert wird. Da­ durch wird die Belastung der Scrollpumpstufe mit ggf. kondensierenden oder aggressiven Medien weiter vermindert, ohne daß das Saugvermögen der Ge­ samtanordnung bei hohen Drücken wesentlich nachteilig beeinflußt wird. Bei tiefen Ansaugdrücken, bevorzugt bei < 5 × 10⁴ Pa, wird die Bypaßleitung ge­ schlossen und das Gas von der Scrollpumpstufe vorverdichtet, bevor es in die Membranpumpstufe gelangt. Somit bleibt das Saugvermögen bei < 5 × 10⁴ Pa sowie der Enddruck unbeeinflußt im Vergleich zur Anordnung ohne Bypaß­ leitung. In einer weiteren Ausführungsform werden bei hohen Ansaugdrücken nicht nur der Einlaß, sondern der Einlaß und der Auslaß der Scrollpumpstufe verschlossen, um ein Eindringen von Gasen auch von der Auslaßseite in die Scrollpumpstufe zu vermeiden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der obigen Anordnung wird der Einlaß der Scrollpumpstufe bei hohen Drücken nicht verschlossen, sondern zur At­ mosphäre oder zu einem Spülgasanschluß über eine Düse mit reduziertem Querschnitt geöffnet, um den Schöpfraum der Scrollpumpstufe zu spülen und eventuell vorhandene flüssige oder feste Rückstände vorangegangener Ab­ pumpvorgänge auszutreiben. Die Düse mit reduziertem Querschnitt im Ver­ gleich zum Ansaugstutzen bewirkt, daß typischerweise nicht mehr als 10% des Saugvermögens der Membranpumpstufe in Form von Spülgas zugeführt wird, das für die Anwendung zur Verfügung stehende Saugvermögen der Membranpumpstufe also nur unwesentlich verringert wird. Der Auslaß der Scrollpumpstufe muß in dieser Ausführungsform geöffnet bleiben.

In der lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vaku­ umpumpe.

Die Vakuumpumpe weist eine erste, vakuumseitig angeordnete Pumpstufe 1 und eine zweite, druckseitig angeordnete Pumpstufe 2 auf, die hintereinander geschaltet sind. Die zweite, druckseitig angeordnete Pumpstufe 2 ist als Mem­ branpumpstufe mit mindestens einer Membranpumpeneinheit 3 ausgestaltet. Die erste, vakuumseitig angeordnete Pumpstufe 1 ist als Scrollpumpstufe mit mindestens einer Scrollpumpeneinheit 4 ausgestaltet. Es ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, daß die Membranpumpstufe 2 je nach Leistungs­ anforderungen mehrere, hintereinander und/oder parallel geschaltete Mem­ branpumpeneinheiten 3 aufweist. In der Zeichnung sind zwei hintereinander geschaltete Membranpumpeneinheiten 3 dargestellt. Das gleiche gilt entspre­ chend für die Scrollpumpstufe 1. Hier ist es ebenfalls vorgesehen, daß die Scrollpumpstufe 1 mehrere hintereinander und/oder parallel geschaltete Scrollpumpeneinheiten 4 aufweisen kann. Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Scrollpumpstufe 1 mit einer einzigen Scroll­ pumpeneinheit 4.

Die Scrollpumpeneinheit 4 weist eine feststehende Spirale 5 - Stator 5 - auf, in der eine gleichartige Spirale 6 - Rotor 6 - orbitiert. Die Funktionsweise ei­ ner derartigen Scrollpumpeneinheit 4 wurde in der Beschreibungseinleitung erläutert, hierauf darf verwiesen werden.

Nach bevorzugter Ausgestaltung ist es nun vorgesehen, daß die einander zu­ gewandten Stirnseiten von Stator 5 und Rotor 6 berührungslos angeordnet sind und miteinander einen Spalt 7, 8 bilden. Der Spalt 7, 8 ist dabei groß ge­ gen die zu erwartende Wärmeausdehnung der Pumpenkomponenten und gleichzeitig eng genug, um bei dem von der Membranpumpstufe 2 erzeugten Vakuum in der Scrollpumpstufe 1 eine hinreichend geringe Leckrate zur Er­ zielung eines Endvakuums der Gesamtanordnung im Feinvakuumbereich zu erzielen. Es darf darauf hingewiesen werden, daß hier auf schleifende Dich­ tungen an den Stirnseiten völlig verzichtet wird, so daß die oben erläuterten, den schleifenden Dichtungen immanenten Probleme wegfallen.

Um auch aggressive Medien pumpen zu können, ist es vorgesehen, daß alle medienberührten Oberflächen der Vakuumpumpe eine hohe chemische Be­ ständigkeit aufweisen. Dies betrifft insbesondere den Ansaug- sowie zumin­ dest den medienberührten Innenbereich des Gehäuses 9 der Scrollpumpstufe 1 bzw. der Scrollpumpeneinheit 4, das vakuumdicht ausgestaltet ist und in dem die Komponenten der Scrollpumpstufe 1 bzw. der Scrollpumpeneinheit 4 un­ tergebracht sind. Weiter ist es vorzugsweise vorgesehen, den Stator 5 sowie den Rotor 6 der Scrollpumpeneinheit 4 in chemisch beständigen Materialien auszugestalten. Vor diesem Hintergrund ist die Membranpumpstufe 2 vor­ zugsweise als Chemie-Membranpumpstufe mit den im allgemeinen Teil der Beschreibung erläuterten Merkmalen ausgestaltet.

In besonderer Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß der Innenraum der Scroll­ pumpstufe 1, insbesondere der Bereich der schöpfraumzugewandten Seiten der Spiralen 5, 6 zumindest teilweise aus hochbeständigen Fluorkunststoffen wie beispielsweise PTFE, ETFE, ECTFE oder PFA - vorzugsweise verstärkt durch Füllstoffe wie beispielsweise Kohlenstoffpartikel, Kohlefaser oder an­ dere Fasern -, oder anderen chemisch beständigen - vorzugsweise verstärkten - Kunststoffen wie beispielsweise PEEK, PPS, PP oder PE, oder auch Metall mit chemisch beständiger Beschichtung aus diesen Kunststoffen bestehen.

Eine hermetische Trennung des gesamten Antriebsbereichs von der Vakuum­ seite läßt sich nach besonders bevorzugter Ausgestaltung dadurch erreichen, daß die Scrollpumpeneinheit 4 einen Balg 10 aufweist und daß der Schöpf­ raum 11 gegen den Antriebsraum 12 der Scrollpumpeneinheit 4 durch den Balg 10 hermetisch abgedichtet ist. Der Balg 10 ist dabei als elastischer Membranbalg ausgestaltet. Der dann vorzugsweise rotationssymmetrische Balg 10 ist in vorteilhafter Ausgestaltung an seiner Außenseite am Gehäuse 9 und an seiner Innenseite an der orbitierenden Spirale 6 vakuumdicht einge­ spannt.

Der Balg 10 ist vorzugsweise aus chemisch beständigen Materialien, vor­ zugsweise aus PTFE oder chemisch beständigen elastischen Kunststoffen wie Perfluorelastomeren (FFKM) oder einer Sandwich-Anordnung aus elastischen Kunststoffen wie beispielsweise FKM, EPDM oder NBR mit Folien aus che­ misch beständigen Materialien wie beispielsweise PTFE ausgestaltet.

Das von der Scrollpumpstufe 1 angesaugte gasförmige Medium wird in der Scrollpumpstufe 1 verdichtet, am Auslaß 13 der Scrollpumpstufe 1 ausgesto­ ßen, in den Einlaß 14 der Membranpumpstufe 2 geleitet, von dieser auf Atmo­ sphärendruck verdichtet und schließlich von der Membranpumpstufe 2 ausge­ stoßen. Dabei ist das nominelle Saugvermögen der Scrollpumpstufe 1 mehr als doppelt so groß wie das nominelle Saugvermögen der Membranpumpstufe 2. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist ein Überdruckventil 15 vorge­ sehen, das einen eventuellen Überdruckaufbau zwischen Scrollpumpstufe 1 und Membranpumpstufe 2 verhindert. Dabei ist das Überdruckventil 15 zwi­ schen dem Auslaß 13 der Scrollpumpstufe 1 und dem Einlaß 14 der Mem­ branpumpstufe 2 angeordnet. Bei einem bestimmten Überdruck in der Ver­ bindung zwischen dem Auslaß 13 der Scrollpumpstufe 1 und dem Einlaß 14 der Membranpumpstufe 2 öffnet das Überdruckventil 15 und verbindet den Auslaß 13 der Scrollpumpstufe 1 mit dem Außenraum oder mit dem Auslaß 16 der Membranpumpstufe 2.

Die beiden Pumpstufen 1, 2 lassen sich grundsätzlich durch aus dem Stand der Technik bekannte rotatorische Antriebseinheiten antreiben. Die Membran­ pumpeneinheit 3 weist vorzugsweise ein mit der Membran der Membranpum­ peneinheit 3 gekoppeltes Pleuel auf, das über eine Kurbelwelle o. dgl. antreib­ bar ist. Es kann auch vorgesehen werden, daß die Membran mit einer die Membran auslenkende Nockenwelle gekoppelt ist. Die orbitierende Bewe­ gung des Rotors 6 der Scrollpumpeneinheit 4 wird vorzugsweise durch einen Exzenter 17 sowie durch ein oder mehrere äußere Führungslager 18 erzeugt.

Die Scrollpumpstufe 1 und die Membranpumpstufe 2 werden vorzugsweise über eine gemeinsame Antriebseinheit 18 angetrieben, die einen Motor und ggf. ein Getriebe aufweist. Es kann je nach benötigter Leistung auch eine Antriebseinheit 18 mit mehreren Motoren bzw. mehreren Getrieben vorgese­ hen werden.

Bei der Ausgestaltung der Antriebseinheit 18 mit einem einzigen Motor ist der Motor in bevorzugter Ausgestaltung ein zwischen der Scrollpumpstufe 1 und der Membranpumpstufe 2 angeordneter Doppelwellenmotor. In weiterer be­ vorzugter Ausgestaltung kann es vorgesehen werden, daß mittels eines zwi­ schengeschalteten Getriebes die Scrollpumpstufe 1 und die Membranpump­ stufe 2 bei unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten, wobei vorzugsweise die Scrollpumpstufe 1 bei einer höheren Drehzahl als die Membranpumpstufe 2 arbeitet.

Eine besondere Flexibilität bringt die weitere bevorzugte Ausgestaltung mit sich, die Scrollpumpstufe 1 und die Membranpumpstufe 2 von zwei mecha­ nisch voneinander unabhängigen Antriebseinheiten 18 anzutreiben, von denen mindestens eine drehzahlvariabel ausgeführt ist. Damit ist es möglich, die Drehzahlen der beiden Pumpstufen 1, 2 unabhängig voneinander zu steuern.

Der Motor oder die Motoren der Antriebseinheit 18 oder der Antriebseinhei­ ten 18 können sowohl ein- oder dreiphasige Wechselspannungsmotoren mit oder ohne Drehzahlsteuerung - beispielsweise mittels eines Frequenzumrich­ ters -, als auch Gleichspannungsmotoren mit oder ohne Drehzahlsteuerung sein. Bei der Ausgestaltung der Antriebseinheit 18 mit zwei getrennten Moto­ ren können die Motoren gleicher oder aber unterschiedlicher Bauart sein.

Zur Ansteuerung der Vakuumpumpe, insbesondere der Antriebseinheit 18 ist eine programmierte Steuerung 19 vorgesehen, über die die Drehzahl der Scrollpumpstufe 1 einerseits und der Membranpumpstufe 2 andererseits ein­ stellbar ist. So läßt sich beispielsweise in Abhängigkeit des Ansaugdrucks und ggf. des Drucks zwischen den Pumpstufen ein optimales Saugvermögen bzw. ein optimaler Enddruck bei optimaler Leistungsaufnahme erreichen.

Eine weitere Ausgestaltung sieht eine Bypaßanordnung 20 vor, über die der Einlaß 21 der Scrollpumpstufe 1 mit dem Einlaß 14 der Membranpumpstufe 2 verbindbar ist. Es ist nun vorgesehen, daß bei hohem Ansaugdruck das geför­ derte Gas über die Bypaßanordnung 20 an der Scrollpumpstufe 1 vorbei direkt von der Membranpumpstufe 2 gefördert werden kann, und das angesaugte Gas lediglich bei tiefem Ansaugdruck, vorzugsweise bei einem Ansaugdruck < 5 × 10⁴ Pa, durch die Scrollpumpstufe 1 vorverdichtet wird.

Die Bypaßanordnung 20 weist eine Bypaßleitung 22 und in bevorzugter Aus­ gestaltung eine vorzugsweise ansteuerbare Ventilanordnung 23, 24 auf, durch die die Bypaßanordnung 20 in Abhängigkeit vom Ansaugdruck aktiviert, also durchgeschaltet werden kann. In einfachster Ausgestaltung ist die Ventilan­ ordnung 23, 24 derart ausgestaltet, daß die Bypaßleitung 22 bei hohem An­ saugdruck automatisch durchgeschaltet wird. Es kann aber auch vorgesehen werden, daß die Bypaßanordnung 20 eine Steuerung 25 aufweist, die die Ventilanordnung 23, 24, vorzugsweise basierend auf den Meßwerten ggf vor­ handener Druckgeber, entsprechend ansteuert. Bei aktivierter Bypaßanord­ nung kann in bevorzugter Ausgestaltung nur der Einlaß 21 der Scrollpumpstu­ fe 1, oder aber der Einlaß 21 und gleichzeitig der Auslaß 13 Scrollpumpstufe 1 verschlossen werden.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß die Bypaßanord­ nung 20 derart ausgestaltet ist, daß der Einlaß 21 der Scrollpumpstufe 1 bei aktivierter Bypaßanordnung 20 über eine Düse mit kleinem Querschnitt zur Atmosphäre oder zu einem Spülgasanschluß geöffnet ist. Es kann aber auch vorgesehen werden, daß der Einlaß 21 der Scrollpumpstufe 1 bei aktivierter Bypaßanordnung 20 geschlossen wird. Hierfür kann eine entsprechende An­ steuerung des Ventils 24 vorgesehen werden.

Es darf schließlich darauf hingewiesen werden, daß die schematische Dar­ stellung der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe in der Zeichnung mit auf ei­ ner gemeinsamen Welle montierter Scrollpumpstufe 1 und Membranpumpstu­ fe 2 keine Beschränkung auf diese Bauart beinhalten soll. Auch ist die Steue­ rungsanordnung der Vakuumpumpe nicht auf eine aus mehreren Einzelsteue­ rungen 19, 25 bestehende Steuerungsanordnung beschränkt, sondern es kann in bevorzugter Ausgestaltung eine übergeordnete Steuerung vorgesehen wer­ den, die alle oder zumindest einen Teil der Steuerungsfunktionen wahrnimmt. Auf die vorstehenden Ausführungen darf verwiesen werden.

Claims (15)

1. Vakuumpumpe mit einer ersten Pumpstufe (1) und einer zweiten Pumpstufe (2), wobei die erste Pumpstufe (1) vakuumseitig und die zweite Pumpstufe (2) druckseitig angeordnet ist und wobei die beiden Pumpstufen (1, 2) hinterein­ ander geschaltet sind, wobei die zweite Pumpstufe (2) als Membranpumpstufe mit mindestens einer Membranpumpeneinheit (3) ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Pumpstufe (1) als Scrollpumpstufe mit mindestens einer Scroll­ pumpeneinheit (4) ausgestaltet ist.

2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, wobei die Scrollpumpeneinheit (4) eine feststehende Spirale (5) - Stator (5) - und eine orbitierende Spirale (6) - Ro­ tor (6) - aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Stirnseiten von Stator (5) und Rotor (6) berührungslos angeordnet sind und miteinander einen Spalt (7, 8) bilden, insbesondere, daß der Spalt (7, 8) groß ist gegen die zu erwartende Wärmeausdehnung und daß der Spalt (7, 8) gleichzeitig eng genug ist, um bei dem von der Membranpumpstufe (2) er­ zeugten Vakuum in der Scrollpumpstufe (1) eine hinreichend geringe Leck­ rate zur Erzielung eines Endvakuums der Gesamtanordnung im Feinvakuum­ bereich zu erzielen.

3. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß alle medienberührten Oberflächen der Vakuumpumpe eine hohe chemische Beständigkeit gegen aggressive gepumpte Medien aufweisen, insbesondere, daß die Membranpumpstufe (2) als Chemie-Membran­ pumpstufe ausgeführt ist.

4. Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innen­ raum der Scrollpumpstufe (2), insbesondere der Bereich der schöpfraumzu­ gewandten Seiten der Spiralen (5, 6), zumindest teilweise aus hochbeständi­ gen Fluorkunststoffen wie beispielsweise PTFE, ETFE, ECTFE oder PFA - vorzugsweise verstärkt durch Füllstoffe wie beispielsweise Kohlenstoff­ partikel, Kohlefaser oder andere Fasern - oder anderen chemisch beständigen - vorzugsweise verstärkten - Kunststoffen wie beispielsweise PEEK, PPS, PP oder PE, oder auch Metall mit chemisch beständiger Beschichtung aus diesen Kunststoffen bestehen.

5. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scrollpumpeneinheit (4) einen Balg (10) aufweist und daß der Schöpf­ raum (11) gegen den Antriebsraum (12) der Scrollpumpeneinheit (4) durch den Balg (10) hermetisch abgedichtet ist.

6. Vakuumpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (10) zur Abdichtung des Schöpfraumes (11) der Scrollpumpeneinheit (4) gegen den Antriebsraum (12) aus PTFE oder chemisch beständigen elasti­ schen Kunststoffen wie Perfluorelastomeren (FFKM) oder einer Sandwich- Anordnung aus elastischen Kunststoffen wie beispielsweise FKM, EPDM oder NBR mit Folien aus chemisch beständigen Materialien wie beispielswei­ se PTFE besteht.

7. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Auslaß (13) der Scrollpumpstufe (1) und dem Einlaß (14) der Membranpumpstufe (2) ein Überdruckventil (15) ange­ ordnet ist und daß bei einem bestimmten Überdruck in der Verbindung zwi­ schen dem Auslaß (13) der Scrollpumpstufe (1) und dem Einlaß (14) der Membranpumpstufe (2) das Überdruckventil (15) den Auslaß (13) der Scroll­ pumpstufe (1) mit dem Außenraum oder mit dem Auslaß (16) der Membran­ pumpstufe (2) verbindet.

8. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Scrollpumpstufe (1) und die Membranpumpstufe (2) von einer gemeinsamen Antriebseinheit (18) mit einem Motor und ggf. mit ei­ nem Getriebe angetrieben werden.

9. Vakuumpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Scroll­ pumpstufe (1) und die Membranpumpstufe (2) über ein zwischengeschaltetes Getriebe mechanisch miteinander gekoppelt sind und daß das Getriebe derart ausgelegt ist, daß die beiden Pumpstufen (1, 2) bei unterschiedlichen Dreh­ zahlen arbeiten, vorzugsweise, daß die Scrollpumpstufe (1) bei einer höheren Drehzahl als die Membranpumpstufe (2) arbeitet.

10. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Scrollpumpstufe (1) und die Membranpumpstufe (2) jeweils eine eigene Antriebseinheit (18) mit einem Motor und ggf. mit einem Getriebe aufweisen, daß die beiden Antriebseinheiten (18) mechanisch voneinander unabhängig sind und daß mindestens eine der beiden Antriebseinheiten (18) drehzahlvariabel ausgestaltet ist.

11. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß eine programmierte Steuerung (19) vorgesehen ist, daß über die Steuerung (19) die Drehzahl von Scrollpumpstufe (1) und Membranpumpstufe (2) derart einstellbar ist, daß beispielsweise in Abhängigkeit des Ansaug­ drucks und ggf. des Drucks zwischen den Pumpstufen (1, 2) ein optimales Saugvermögen bzw. ein optimaler Enddruck bei optimaler Leistungsaufnahme erreichbar ist.

12. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Bypaßanordnung (20) vorgesehen ist, daß über die Bypaßanordnung (20) der Einlaß (21) der Scrollpumpstufe (1) mit dem Einlaß (14) der Membranpumpstufe (2) verbindbar ist, so daß bei hohem Ansaug­ druck das geförderte Gas über die Bypaßanordnung (20) an der Scroll­ pumpstufe (1) vorbei direkt von der Membranpumpstufe (2) gefördert werden kann und das angesaugte Gas lediglich bei tiefem Ansaugdruck, vorzugsweise bei einem Ansaugdruck < 5 × 10⁴ Pa, durch die Scrollpumpstufe (1) vorver­ dichtet wird.

13. Vakuumpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die By­ paßanordnung (20) eine vorzugsweise ansteuerbare Ventilanordnung (23, 24) aufweist, durch die die Bypaßanordnung (20) aktivierbar, also durchschaltbar ist.

14. Vakuumpumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die By­ paßanordnung (20) eine Steuerung (25) zur Ansteuerung der Ventilanordnung (23, 24) aufweist.

15. Vakuumpumpe nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßanordnung (20) derart ausgestaltet ist, daß der Einlaß (21) der Scrollpumpstufe (1) bei aktivierter Bypaßanordnung (20) über eine Düse mit kleinem Querschnitt zum Außenraum oder zu einem Spülgasanschluß geöff­ net ist.