DE19634519A1

DE19634519A1 - Piston vacuum pump with inlet and outlet

Info

Publication number: DE19634519A1
Application number: DE19634519A
Authority: DE
Inventors: Hans-J Burghard; Juergen Meyer; Rudolf Dr Bahnen; Wolfgang Giebmanns
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 1998-03-05
Also published as: DE59705578D1; WO1998009077A1; DE59712067D1; EP0922163B1; EP0922165A1; EP0922165B1; EP0922163A1; WO1998009079A1

Abstract

The invention concerns a vacuum pump (1) having an inlet (3) and an outlet (4). According to the invention, in order to prevent disturbance from excess pressure in the pump (1) when it is started, a differential-pressure-controlled inlet valve (52) is provided which chokes the pumping capacity at high inlet pressure.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentan spruchs 1.The invention relates to a piston vacuum pump with the features of the preamble of the patent saying 1.

Eine Kolbenvakuumpumpe dieser Art ist aus der US-A-48 54 825 bekannt. Bei dieser Pumpe nach dem Stand der Technik sind eintrittsseitig zwei zylindrische Kompressionskam mern von zwei der vier gestuften Zylinder parallel ge schaltet und bilden eine erste Pumpstufe. Die zylindri sche Kompressionskammer eines dritten Zylinders bildet die zweite Stufe der Pumpe. Die ringförmigen Kompressi onskammern der drei Zylinder, deren zylindrische Kom pressionskammern die erste und die zweite Pumpstufe bil den, sind nicht mit Einlässen ausgerüstet; sie haben keine Pumpfunktion. Die zylindrische Kompressionskammer des vierten Zylinders bildet eine dritte Stufe der Vaku umpumpe. Ihr Auslaß steht unmittelbar mit dem Austritt der Pumpe in Verbindung. Die ringförmige Kompressions kammer dieses Stufen-Zylinders hat zwar ebenfalls Pump funktion; 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 ringför mige Kompressionskammer zum Austritt der Pumpe gelangt. A piston vacuum pump of this type is from US-A-48 54 825 known. With this pump according to the state of the art are two cylindrical compression on the inlet side of two of the four stepped cylinders in parallel switches and form a first pump stage. The cylindri compression chamber of a third cylinder the second stage of the pump. The ring-shaped compress chambers of the three cylinders, whose cylindrical com pressure chambers the first and the second pump stage bil are not equipped with inlets; They have no pump function. The cylindrical compression chamber the fourth cylinder forms a third stage of vacuum pump over. Your outlet is immediately at the exit the pump in connection. The ring-shaped compression Chamber of this stepped cylinder also has a pump function; however, it forms together with its inlet and its outlet is only a bypass to those from the third pumping stage flowing directly to the outlet Gases, d. that is, only part of the outlet from the third pump stage escaping gases over this ringför Compression chamber reaches the outlet of the pump.

Eine echte vierte Pumpstufe bildet diese ringförmige Kompressionskammer nicht.A real fourth pump stage forms this ring-shaped Compression chamber not.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbe griffs des Patentanspruchs 1 mit verbessertem Saugvermö gen und mit verbesserter Kompression zu schaffen.The present invention is based on the object a piston vacuum pump with the features of the Oberbe Handle of claim 1 with improved suction gene and with improved compression.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.According to the invention, this object is characterized by nenden features of the claims solved.

Dadurch, daß eintrittsseitig vier Kompressionskammern parallel geschaltet sind, ergibt sich ein besonders ho hes Ansaugvermögen. Außerdem wird durch insgesamt vier Pumpstufen mit insgesamt acht Kompressionskammern eine hohe Kompression erreicht. Mit Pumpen der erfindungsge mäßen Art lassen sich Enddrücke von 10^-4 mbar bei rela tiv hohem Saugvermögen erzeugen, so daß sie bei Applika tionen, 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 Tole ranzen 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 tre ten zwar unterschiedliche Drücke in den beiden Kompres sionskammern auf; da dieses Zylinder-Kolben-System je doch austrittsseitig gelegen ist, sind die auftretenden Druckverhältnisse nicht mehr hoch. The fact that four compression chambers are connected in parallel on the inlet side results in a particularly high suction capacity. In addition, a high level of compression is achieved through a total of four pump stages with a total of eight compression chambers. With pumps of the type according to the invention, end pressures of 10 ^-4 mbar can be generated at a relatively high pumping speed, so that they are used in applications in which working chambers have to be evacuated relatively quickly again and again to low pressures, such as the locks of semiconductor Coating plants are particularly suitable. Particularly high tolerances do not have to be observed in the manufacture of the cylinder-piston systems. The reason for this is the special assignment of the compression chambers. During the operation of the three cylinder-piston systems, which form the first two pump stages, approximately the same pressures prevail in the compression chambers separated from the piston, so that no high demands have to be made on the seal between cylinder and piston. With the fourth cylinder-piston system, different pressures occur in the two compression chambers; since this cylinder-piston system is located on the outlet side, the pressure conditions that occur are no longer high.

Bei den erwähnten Applikationen muß die erfindungsgemäße Hochvakuumpumpe in der ersten Pumpphase relativ große Gasmengen fördern. Zur Vermeidung von Überdrücken in der Pumpe gibt es drei Möglichkeiten:In the applications mentioned, the invention High vacuum pump in the first pumping phase relatively large Promote gas quantities. To avoid excess pressure in the Pump there are three options:

- The outlets of the four compression chambers, which form the first pump stage, stand over a back check valve immediately with the outlet of the pump in connection. Occurring in the first pumping phase Overpressures open this check valve and för the gases directly to the outlet of the pump.
- The drive motor of the vacuum pump is cleaned in this way applies that he only reaches its full speed suffices if there is a risk of over pressure in the pump no longer exists.
- The inlet of the pump is a differential pressure controlled valve upstream.

Die zuletzt genannte Alternative hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, weil Ventile dieser Art einfach und robust sind.The latter alternative has proven to be special Proven useful because valves of this type are simple and are robust.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 und 2 schematisch darge stellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.Further advantages and details of the invention will be explained with reference to exemplary embodiments schematically shown in FIGS . 1 and 2.

Es zeigenShow it

- Fig. 1 shows an embodiment of a Kolbenva kuumpumpe according to the invention and
- Fig. 2 one of the inlet-side cylinder piston systems with a differential pressure-controlled inlet valve.

Die in Fig. 1 dargestellte Kolbenvakuumpumpe 1 umfaßt das Gehäuse 2, den Eintritt 3 und den Austritt 4. Inner halb des Gehäuses befinden sich vier Zylinder-Kolben-Sy steme 11, 21, 31 und 41, die im wesentlichen identisch ausgebildet sind. Sie sind derart paarweise einander ge genüberliegend - vorzugsweise in einer Ebene - angeord net, daß ihre Kolben über eine gemeinsame Kurbelwelle 5 angetrieben werden können. Der Antriebsmotor ist mit 6 bezeichnet.The vacuum pump 1 shown in Fig. 1 includes the housing 2, the inlet 3 and the outlet. 4 Inside the housing are four cylinder-piston systems 11 , 21 , 31 and 41 , which are essentially identical. They are in pairs opposite each other ge - preferably in one plane - angeord net that their pistons can be driven via a common crankshaft 5 . The drive motor is designated 6 .

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 Kompressionskam mer 14 und eine ringförmige Kompressionskammer 15 bil den. Die zylindrische Kompressionskammer 14 weist den Einlaß 16 und den Auslaß 17, die ringförmige Kompressi onskammer 15 den Einlaß 18 und den Auslaß 19 auf. Die Einlässe 16 und 18 sind als Ringnuten in der Wandung des Zylinders 12 ausgebildet, so daß die Bewegung des Kol bens 13 das Öffnen und Schließen der Einlässe bewirkt. Die Auslässe 17 und 19 sind mit im einzelnen nicht dar gestellten Ventilen ausgerüstet.The cylinder-piston system 11 has the cylinder 12 and the piston 13 . Both are graded so that they have a cylindrical compression chamber 14 and an annular compression chamber 15 in a manner known per se. The cylindrical compression chamber 14 has the inlet 16 and the outlet 17 , the annular compression chamber 15, the inlet 18 and the outlet 19 . The inlets 16 and 18 are formed as annular grooves in the wall of the cylinder 12 so that the movement of the Kol bens 13 causes the inlets to open and close. The outlets 17 and 19 are equipped with valves not shown in detail.

Die Zylinder-Kolben-System 21, 31 und 41 sind entspre chend ausgebildet und mit korrespondierenden Bezugszei chen versehen.The cylinder-piston system 21 , 31 and 41 are designed accordingly and provided with corresponding reference characters.

Entsprechend dem Erfindungsvorschlag ist der Eintritt 3 über die Leitung 51 - z. B. mit dem Ventil 52 - mit den Einlässen 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 Auslässe 17, 19, 27 und 29 der Kompressionskammern der ersten Stufe anschließenden Leitungen münden sämtlich in die Leitung 55, die mit den Einlässen 36, 38 der Kompressionskammern 34, 35 verbunden sind. Diese sind Bestandteile des Kol ben-Zylinder-Systems 31. Die ebenfalls parallel geschal teten Kompressionskammern 34, 35 bilden die zweite Pumpstufe der Kolbenvakuumpumpe 1, angedeutet durch die strichpunktierte Linie 57. Die sich an die Auslässe 37, 39 der Kompressionskammern 34, 35 anschließenden Leitun gen münden in die Leitung 59, die mit dem Einlaß 46 der zylindrischen Kompressionskammer 44 verbunden ist, wel che 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 Kom pressionskammer 45 in Verbindung, welche ebenfalls Be standteil 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).According to the proposal of the invention, the entrance 3 via the line 51 - z. B. with the valve 52 - with the inlets 16 , 18 , 26 , 28 of the compression chambers 14 , 15 , 24 and 25 , which are components of the piston-cylinder systems 11 and 21 , connected. The aforementioned compression chambers connected in parallel form a first pump stage of the piston vacuum pump 1 , indicated by the dash-dotted line 54 . The lines adjoining the outlets 17 , 19 , 27 and 29 of the compression chambers of the first stage all open into the line 55 , which are connected to the inlets 36 , 38 of the compression chambers 34 , 35 . These are components of the Kol ben-cylinder system 31st The compression chambers 34 , 35 , which are also connected in parallel, form the second pump stage of the piston vacuum pump 1 , indicated by the dash-dotted line 57 . The lines 37 , 39 of the compression chambers 34 , 35 adjoining lines open into line 59 , which is connected to the inlet 46 of the cylindrical compression chamber 44, which is part of the cylinder-piston system 41 . This compression chamber 44 forms the third pumping stage of the piston vacuum pump 1 (see dash-dotted line 61 ). The outlet 47 of the compression chamber 44 is connected via line 62 to the inlet 48 of the annular compression chamber 45 , which is also part of the piston-cylinder system 41 . The outlet 49 of the annular compression chamber 45 communicates with the outlet 4 of the piston vacuum pump 1 . The compression chamber 45 forms the fourth pumping stage of the piston vacuum pump 1 (dashed line 63 ).

Angedeutet ist in Fig. 1 noch eine Düse 64, über die der Kompressionsraum 45 mit dem Inneren des Gehäuses 2 der Pumpe 1 in Verbindung steht. Die Größe der Düse 64 ist so gewählt, daß sich im Gehäuse 2 ein Unterdruck von wenigen hundert Millibar einstellt. Die Anforderungen an die Dichtqualität des Spaltes zwischen den Kolben und den Zylindern in ihren dem Gehäuseinnern benachbarten Bereichen können dadurch weiter reduziert werden.A nozzle 64 is also indicated in FIG. 1, via which the compression space 45 communicates with the interior of the housing 2 of the pump 1 . The size of the nozzle 64 is selected so that a negative pressure of a few hundred millibars is established in the housing 2 . The requirements for the sealing quality of the gap between the pistons and the cylinders in their areas adjacent to the interior of the housing can thereby be further reduced.

Fig. 2 zeigt nochmals das Kolben-Zylinder-System 11 mit seinen Kompressionskammern 14 und 15. Die Einlässe 16 und 18 dieser Kammern stehen (zusammen mit den Einlässen 26, 28 des zweiten Kolben-Zylinder-Systems 21) über das Ventil 52 mit dem Eintritt 3 der Vakuumpumpe in Verbin dung. Fig. 2 again, the piston-cylinder system displays 11 with its compression chambers 14 and 15. The inlets 16 and 18 of these chambers (together with the inlets 26 , 28 of the second piston-cylinder system 21 ) are connected via the valve 52 to the inlet 3 of the vacuum pump.

Das Ventil 52 erfüllt die Funktion, die in einer ersten Pumpphase anfallenden, relativ großen Gasmengen in sol chem Umfang zurückzuhalten, daß Überdrücke in der Pumpe 1 nicht auftreten. Dazu weist das Ventil 52 eine Kammer 65 mit einer Einlaßöffnung 66 und einer Auslaßöffnung 67 auf. Auslaßseitig ist die Kammer kegelförmig gestaltet.The valve 52 fulfills the function of retaining the relatively large amounts of gas accumulating in a first pumping phase to such an extent that excess pressures do not occur in the pump 1 . For this purpose, the valve 52 has a chamber 65 with an inlet opening 66 and an outlet opening 67 . On the outlet side, the chamber is conical.

In der Kammer 65 befindet sich ein Verschlußkörper 68 mit einer zentralen Bohrung 69. Mit Hilfe von zwei axial angeordneten Federn, vorzugsweise Druckfedern 70 und 71 ist der austrittsseitig kugelförmig gestaltete Ver schlußkörper 68 verdrehsicher geführt. Ohne Gasströmung halten die Druckfedern den Verschlußkörper in der Schwebe.A closure body 68 with a central bore 69 is located in the chamber 65 . With the help of two axially arranged springs, preferably compression springs 70 and 71 , the spherical-shaped outlet body Ver is guided against rotation 68 . Without gas flow, the compression springs hold the closure body in suspension.

Ist der Druck im zu evakuierenden Rezipienten, ange schlossen an den Eintritt 3, hoch, z. B. Atmosphären druck, liegt der Verschlußkörper 68 dem kegelförmigen Abschnitt der Kammer 65 an (obere Darstellung des Ven tils 52). Nur durch die Bohrung 69 hindurchtretendes Gas gelangt in die Pumpe 1. Die Größe und Länge der Bohrung 69 sind so gewählt, daß Überdrücke in der Pumpe 1 nicht auftreten.Is the pressure in the recipient to be evacuated, connected to the inlet 3 , high, z. B. atmospheric pressure, the closure body 68 lies on the conical section of the chamber 65 (upper representation of the Ven valve 52 ). Only gas passing through the bore 69 enters the pump 1 . The size and length of the bore 69 are selected so that overpressures do not occur in the pump 1 .

Nimmt der Druck eintrittsseitig ab, hebt sich der Ver schlußkörper 68 von seinem Sitz ab, so daß er von Gasen umströmt werden kann. Der Strömungsquerschnitt im Be reich des Ventils 52 nimmt drastisch zu, so daß das Saugvermögen 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 schlußkörpers 68 von seinem Sitz erfolgt, einstellbar.If the pressure decreases on the inlet side, the closure body 68 lifts off from its seat, so that gases can flow around it. The flow cross section in the loading area of the valve 52 increases drastically, so that the pumping speed of the pump 1 is no longer limited by the valve 52 . With the help of the compression springs 70 and 71 , the differential pressure at which the lifting of the closure body 68 takes place from its seat is adjustable.

Claims

1. Piston vacuum pump ( 1 ) with an inlet ( 3 ), with an outlet ( 4 ), with four stepped cylinders ( 12 , 22 , 32 , 42 ), which together with a stepped piston ( 13 , 23 , 33 , 43 ) each form a cylindrical compression chamber ( 14 , 24 , 34 , 44 ) and an annular compression chamber ( 15 , 25 , 35 , 45 ), characterized in that the pump ( 1 ) during its normal operation four in succession of the switched pump stages ( 54 , 57 , 61 , 63 ) and that four parallel compression chambers ( 14 , 15 , 24 , 25 ) form the first stage.

2. Piston vacuum pump according to claim 1, characterized in that each of the eight compression chambers is equipped with an inlet and with an outlet, that the inlet ( 3 ) of the pump ( 1 ) with the inlets ( 16 , 18 , 26 , 28 ) the four compression chambers ( 14 , 15 , 24 , 25 ) of two cylinders ( 12 , 22 ) communicates that the outlets ( 17 , 19 , 27 , 29 ) of these four compression chambers with the two inlets ( 36 , 38 ) of the two compression chambers ( 34 , 35 ) of a third cylinder ( 32 ) are connected so that the outlets ( 37 , 39 ) of these two compression chambers ( 34 , 35 ) are connected to the inlet of the compression chamber ( 44 ) of the fourth cylinder ( 41 ) are and that the outlet ( 47 ) of this cylindrical compression chamber ( 44 ) with an inlet ( 48 ) of the annular compression chamber ( 45 ) of the fourth cylinder ( 42 ) is connected.

3. Piston vacuum pump according to claim 1 or 2, characterized in that the cylinder-piston systems ( 11 , 21 , 31 , 41 ) are arranged in pairs opposite one another in such a way that their pistons ( 13 , 23 , 33 , 43 ) via a common crankshaft ( 5 ) can be driven.

4. Piston vacuum pump according to claim 1 2 or 3, characterized in that the pump ( 1 ) is equipped with a sealed housing ( 2 ) which, via a nozzle ( 64 ) with one of the compression chambers, preferably with the annular compression chamber on the outlet side ( 45 ), is connected.

5. Piston vacuum pump according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that a pressure-dependent entry valve ( 52 ) is provided.

6. Piston vacuum pump according to claim 5, characterized in that the valve ( 52 ) has a chamber ( 65 ) with a closure body ( 68 ) which is equipped with a central bore ( 69 ) and the un ter the action of two springs ( 70 , 71 ).