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Diese Erfindung betrifft Vakuumpumpvorrichtungen, die
Pumpen vom Spiraltyp beinhalten.
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Spiralpumpen sind im US-Patent Nr. 801 182, herausgegeben
1905 an Creux, offenbart. In einer Spiralpumpe läuft ein
beweglicher Spiralflügel bezüglich eines ortsfesten
Spiralflügels innerhalb eines Gehäuses um. Die Anordnung
der Spiralflügel und ihre relative Bewegung schließt ein
oder mehrere Volumina oder "Taschen" eines Fluids zwischen
den Flügeln ein und bewegt das Fluid durch die Pumpe. Das
Creux-Patent beschreibt die Verwendung der Dampfenergie, um
die Flügel anzutreiben, um eine Drehkraftausbeute zu
erzeugen. Die meisten Anwendungen bringen jedoch eine
Drehkraft auf, um ein Fluid durch die Vorrichtung zu
pumpen. Ölgeschmierte Spiralpumpen werden als
Kühlmittelverdichter umfangreich verwendet. Andere
Anwendungen umfassen Expander, die entgegengesetzt zu einem
Verdichter arbeiten, und Vakuumpumpen. Bis heute wurden
Spiralpumpen nicht umfangreich zur Verwendung als
Vakuumpumpen aufgegriffen.
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Spiralpumpen müssen eine Anzahl von häufig
widersprüchlichen Entwurfszielen erfüllen. Die Spiralflügel
müssen so angeordnet sein, daß sie gegenseitig
zusammenwirken, so daß ihre relative Bewegung die Taschen
festlegt, die das Fluid innerhalb der Taschen
transportieren und häufig verdichten. Die Flügel müssen
sich daher relativ zueinander bewegen, wobei zwischen
benachbarten Windungen Dichtungen ausgebildet sind. Beim
Vakuumpumpen ist der von der Pumpe erreichbare Vakuumpegel
häufig durch die Tendenz begrenzt, daß Hochdruckgas am
Auslaß in Richtung des Einlasses mit niedrigerem Druck
rückwärts strömt und durch die Gleitdichtungen zum Einlaß
durchsickert. Die Wirksamkeit und Lebensdauer der
Spiralflügeldichtungen, sowohl der Kopfdichtungen entlang
der Spiralkanten der Spiralflügel als auch der
Zwischenraumdichtungen zwischen ortsfesten und beweglichen
Spiralflügeln, sind wichtige Bestimmungsgrößen der Leistung
und Zuverlässigkeit.
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Bei Vakuumpumpanwendungen ist es erwünscht, Gas aus der
Kammer, die ausgepumpt wird, mit hoher Geschwindigkeit
auszupumpen. Spiralpumpen, die für eine hohe
Pumpgeschwindigkeit optimiert sind, können sich für das
Arbeiten über ein großes Druckgefälle, beispielsweise
zwischen einigen Pascal am Einlaß und der Atmosphäre
(101,325 kPa (760 Torr)) am Auslaß nicht gut eignen. Um ein
großes Druckgefälle oder Verdichtungsverhältnis zu
unterstützen, ist es bekannt, ein Spiralflügelpaar mit
mehreren Umdrehungen zu verwenden, die mehrere
Zwischenraumdichtungen aufweisen, die die Rückströmung des
Fluids von dem hohen Druck am Auslaß sperren. Die
Pumpgeschwindigkeit einer solchen Pumpe ist jedoch
begrenzt.
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Eine scheinbar einfache Lösung zum Erhöhen der
Pumpgeschwindigkeit besteht darin, den maximalen Abstand
zwischen den Flügeln zu erhöhen, so daß jede Tasche ein
größeres Volumen aufweist. Für eine konstante
Spiralflügeldicke ist dieser Abstand durch den Umlaufradius
festgelegt. Daher kann die Pumpgeschwindigkeit in der
Theorie durch Erhöhen des Umlaufradius erhöht werden. Ein
größerer Radius weist jedoch verschiedene Nachteile auf,
wie z. B. eine Erhöhung der Dichtungsgeschwindigkeit und des
Dichtungsverschleißes, eine Zunahme der Radialkräfte, die
auf den Antriebsmechanismus wirken, und eine Erhöhung des
Leistungsverbrauchs im stationären Zustand. Ein größerer
Umlaufradius erhöht auch die Gesamtabmessungen der Pumpe.
Für einen gegebenen Pumpendurchmesser führt ein großer
Umlaufradius zu weniger Windungen der Spiralanordnung,
weniger Zwischenraumdichtungen in Reihe und daher mehr
Rückwärtsleckverlust. Die scheinbar einfache Lösung zum
Erhöhen des Umlaufradius weist daher die Nachteile einer
erhöhten Größe, eines erhöhten Verschleißes, einer erhöhten
Leistung und einer erhöhten Reibungswärme auf.
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Um die Pumpenleistung zu steigern, ist es auch bekannt,
mehrere Spiralen parallel zu betreiben, wie es von Iwata
Air Compressor Corporation in ihrem Modell ISP-600 einer
Trockenspiralvakuumpumpe ausgeführt wird. Eine einstufige
Grobpumpe verwendet zwei parallele entgegengerichtete
Spiralflügelsätze, die jeweils Flügel mit einer
Winkelausdehnung von mehr als vier Umdrehungen aufweisen.
Obwohl diese Pumpe eine nominale Leistung von 9,435·10&supmin;³
m³/s (20 Kubikfuß pro Minute (CFM)) aufweist, fällt ihre
Pumpgeschwindigkeit signifikant unterhalb 13,33 Pa (100
milliTorr) ab, vermutlich aufgrund eines
Rückwärtsleckverlusts durch die Pumpe von ihrem Auslaß zu
ihrem Einlaß. Dies ist ein bedeutendes Problem bei einigen
Anwendungen, die Drücke unterhalb 13,33 Pa (100 milliTorr)
erfordern. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die
Pumpe einen Basisdruck von nur 0,6666 Pa (5 milliTorr)
erreichen kann, wohingegen im Vergleich eine kommerzielle
zweistufige, ölgeschmierte Drehkolben-Grobpumpe Basisdrücke
von 0,06666 Pa (0,5 milliTorr) erzeugen kann. Noch ein
weiteres Problem besteht darin, daß diese Art Pumpe etwa
6,096 m (20 Fuß) Kopfdichtungsmaterial verwendet. Der
Verschleiß dieser Menge an Kopfdichtung erzeugt
signifikante Trümmer, die das System, das ausgepumpt wird,
verunreinigen können. Diese Menge an Dichtungsmaterial
erhöht auch die Leistungsanforderungen.
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Eine weitere Spiralpumpenkonstruktion kombiniert
Spiralpumpen in Reihe, um verbesserte Betriebsergebnisse zu
erzielen. Das US-Patent Nr. 5 304 047, Shibamoto, offenbart
beispielsweise einen zweistufigen, ölgeschmierten
Kühlmittelverdichter vom Spiraltyp. Shibamoto trennt den
Einlaß der zweiten Stufe radial vom Auslaß der ersten
Stufe. Obwohl Shibamoto eine zweistufige Pumpe offenbart,
eignet sie sich nicht zum Betrieb als Vakuumpumpe, da sie
eine dynamische, ölgeschmierte Dichtung an der Außenkante
der umlaufenden Spirale der zweiten Stufe erfordert, um den
Rückwärtsleckverlust des Gases zu kontrollieren. Außerdem
wird Öl auf die beweglichen Teile in Nieder- und
Zwischendruckzonen eingespritzt, aufgefangen und
zurückgeführt.
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EP-A-747596 beschreibt eine zweistufige
Vakuumpumpvorrichtung, bei der beide Stufen vom Spiraltyp
sind, wobei die erste Stufe ein höheres Fassungsvermögen
aufweist als eine zweite Stufe.
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Es ist erwünscht, Vakuumpumpvorrichtungen bereitzustellen,
die Pumpen vom Spiraltyp beinhalten und die eine hohe
Pumpgeschwindigkeit und ein hohes Verdichtungsverhältnis
erzielen, während die vorstehend beschriebenen Nachteile
vermieden werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Vakuumpumpvorrichtung
nach Anspruch 1 bereit.
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Vorzugsweise weist die Zusatzpumpe eine relativ hohe
Pumpgeschwindigkeit auf und die Spiralpumpe weist ein
relativ hohes Verdichtungsverhältnis auf. Die Zusatzpumpe
kann einen Regenerationsverdichter, ein Roots-Gebläse oder
ein Schraubengebläse umfassen. Die Zusatzpumpe und die
Spiralpumpe können separate Einheiten innerhalb des
Gehäuses sein oder können ineinander integriert sein.
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Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung
werden nun Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die
zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels
eines Satzes von Spiralflügeln, die sich zur Verwendung in
einer Vakuumpumpe vom Spiraltyp eignen;
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Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer
Vakuumpumpvorrichtung mit einer Zusatzpumpe und einer
Spiralpumpe;
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Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer
Vakuumpumpvorrichtung mit einem Regenerationsverdichter und
einer Spiralpumpe mit gemeinsamer Drehung;
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Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer
Vakuumpumpvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten
Spiralpumpe mit verschiedenen Umlaufradien;
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Fig. 5 ist eine vereinfachte Querschnittsdraufsicht auf
eine Spiralpumpe mit einer äußeren Gleitdichtung in einer
geschlossenen Schleife zum Begrenzen der Durchsickerung;
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Fig. 6 ist eine Querschnitts-Seitenansicht der Spiralpumpe
von Fig. 5; und
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Fig. 7 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer
Spiralpumpe, wobei der Motor auf der Seite des stationären
Spiralflügels angeordnet ist.
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Ein Spiralflügelsatz, der zur Verwendung in einer
Spiralpumpe geeignet ist, ist in Fig. 1 gezeigt. Ein
Spiralflügelsatz 10 umfaßt einen ortsfesten Spiralflügel 12
und einen beweglichen Spiralflügel 14. Jeder der
Spiralflügel weist eine Spiralgestalt auf. Die Spiralflügel
12 und 14 sind ineinander verschachtelt und legen Taschen
zwischen den Flügeln fest, wie z. B. die Taschen 16 und 18.
Der bewegliche Spiralflügel 14 ist mit einem
Exzenterantrieb (in Fig. 1 nicht dargestellt), wie z. B.
einer Kurbel, gekoppelt, um eine Umlaufbewegung des
beweglichen Spiralflügels 14 relativ zum ortsfesten
Spiralflügel 12 zu erzeugen. Ein Einlaßbereich 20 erstreckt
sich in einem ringförmigen Band um den äußeren Umfang des
Spiralflügelsatzes 10. Ein Auslaß 22 befindet sich nahe dem
Zentrum des Spiralflügelsatzes 10.
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Ein Fluid, typischerweise ein Gas, tritt in den
Spiralflügelsatz 10 am Einlaßbereich 20 ein und wird in den
Taschen zwischen den Flügeln, wie z. B. den Taschen 16 und
18, eingeschlossen. Wenn der bewegliche Spiralflügel 14
relativ zum ortsfesten Spiralflügel 12 umläuft, bewegen
sich die Taschen zwischen den Flügeln vom Einlaßbereich 20
in Richtung des Auslasses 22. Dichtungen zwischen den
Spiralflügeln 12 und 14 begrenzen den Leckverlust zwischen
benachbarten Spiralwindungen der Spiralflügel. Das Volumen
der Taschen zwischen den Flügeln nimmt typischerweise in
Richtung des Zentrums des Spiralsatzes aufgrund des
verringerten Radius und Umfangs der Spiralflügel ab,
wodurch das gepumpte Gas verdichtet wird. Die Pumpleistung
der Spiralpumpe hängt von einer Anzahl von Parametern ab,
einschließlich der Anzahl von Windungen der Spiralflügel,
des Abstands zwischen den Windungen, des Umlaufradius des
Spiralflügels 14, der Umlaufgeschwindigkeit und des
Leckverlusts. Die grundlegende Konstruktion von
Spiralpumpen ist auf dem Fachgebiet im allgemeinen bekannt
und ist beispielsweise im US-Patent Nr. 5 258 046,
herausgegeben am 2. November 1993 an Haga et al.,
beschrieben.
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Spiralpumpen mit gemeinsamer Drehung sind ebenfalls im
Stand der Technik bekannt. In einer Spiralpumpe mit
gemeinsamer Drehung drehen sich beide Spiralflügel und ein
Spiralflügel läuft relativ zum anderen während der Drehung
um, um eine Pumpwirkung vorzusehen. Spiralpumpen mit
gemeinsamer Drehung sind beispielsweise im US-Patent Nr.
5 051 075, herausgegeben am 24. September 1991 an Young,
beschrieben.
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Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpvorrichtung
ist in Fig. 2 dargestellt. Die Vakuumpumpvorrichtung umfaßt
eine Spiralpumpe und eine Zusatzpumpe vom Nicht-Spiral-Typ,
um eine gewünschte Vakuumpumpleistung bereitzustellen. Die
Vakuumpumpvorrichtung 50 umfaßt ein vakuumdichtes Gehäuse
52 mit einem Einlaß 54 und einem Auslaß 56. Eine
Zusatzpumpe 60 vom Nicht-Spiral-Typ und eine Spiralpumpe 62
sind innerhalb des Gehäuses 52 angeordnet. Eine
Antriebswelle 66 koppelt die Zusatzpumpe 60 und die
Spiralpumpe 62 mit einem Motor 68, der sich typischerweise
außerhalb des Gehäuses 52 befindet. Der Gehäuseeinlaß 54
ist mit einem Einlaß der Zusatzpumpe 60 gekoppelt und der
Gehäuseauslaß 56 ist mit einem Auslaß der Spiralpumpe 62
gekoppelt. Eine Leitung 64 kann einen Auslaß der
Zusatzpumpe 60 und einen Einlaß der Spiralpumpe 62
miteinander verbinden, so daß die Zusatzpumpe 60 und die
Spiralpumpe 62 in Reihe geschaltet sind. Bei einer
Vorgehensweise können die Zusatzpumpe 60 und die
Spiralpumpe 62 separate Einheiten innerhalb des Gehäuses 52
sein, wie in Fig. 2 gezeigt. Bei einer weiteren
Vorgehensweise, die in Fig. 3 dargestellt ist und
nachstehend beschrieben wird, können die Zusatzpumpe und
die Spiralpumpe innerhalb des Gehäuses ineinander
integriert sein. Bei noch einer weiteren Vorgehensweise
kann der Motor zwischen der Zusatzpumpe 60 und der
Spiralpumpe 62 angeordnet sein.
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Die Zusatzpumpe 60 vom Nicht-Spiral-Typ kann durch eine
relativ hohe Pumpgeschwindigkeit oder
Volumenverdrängungsrate gekennzeichnet sein. Geeignete
Zusatzpumpen umfassen Regenerationsverdichter, Roots-
Gebläse und Schraubengebläse, wie beispielsweise von M.
Hablanian in High Vacuum Technology, Marcel Dekker 1990,
beschrieben.
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Die Spiralpumpe 62 umfaßt einen nicht umlaufenden Flügel
70, einen umlaufenden Flügel 72 und einen Exzenterantrieb
74. Der Exzenterantrieb 74 ist zwischen die Antriebswelle
66 und den umlaufenden Spiralflügel 72 geschaltet. Wenn der
Motor 68 aktiviert wird, erzeugt der Exzenterantrieb 74
eine Umlaufbewegung des Spiralflügels 72 relativ zum
Spiralflügel 70. Der Exzenterantrieb 74 kann beispielsweise
eine Kurbel oder irgendeinen anderen
Exzenterantriebsmechanismus verwenden. Die
Konstruktionseinzelheiten von Exzenterantrieben sind
Fachleuten gut bekannt. Die Spiralpumpe 62 kann ein
herkömmlicher Typ sein, bei dem der Spiralflügel 70 relativ
zum Gehäuse 52 ortsfest ist und der Spiralflügel 72 relativ
zum Spiralflügel 70 umläuft. Alternativ kann die
Spiralpumpe 62 vom Typ mit gemeinsamer Drehung sein, wobei
sich die Spiralflügel 70 und 72 beide drehen und der
Exzenterantrieb 74 eine Umlaufbewegung des Spiralflügels 72
relativ zum Spiralflügel 70 erzeugt. Die Spiralpumpe 62
kann durch ein relativ hohes Verdichtungsverhältnis
gekennzeichnet sein.
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Die Vakuumpumpvorrichtung 50, bei der die Zusatzpumpe 60
eine relativ hohe Pumpgeschwindigkeit aufweist und die
Spiralpumpe 62 ein relativ hohes Verdichtungsverhältnis
aufweist, erzeugt wünschenswerte Leistungseigenschaften in
einer Vakuumpumpe. Typischerweise ist die hohe
Pumpgeschwindigkeit am Einlaß einer Vakuumpumpe erwünscht
und das hohe Verdichtungsverhältnis ist am Auslaß
erwünscht. Die Vakuumpumpvorrichtung 50, bei der die
Zusatzpumpe 60 und die Spiralpumpe 62 in demselben Gehäuse
52 montiert sind und durch denselben Motor 68 angetrieben
werden, bildet eine Hybridvakuumpumpe mit gewünschten
Leistungseigenschaften.
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Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpvorrichtung
ist in Fig. 3 dargestellt. Ein vakuumdichtes Gehäuse 100
umfaßt einen Einlaß 102 und einen Auslaß 104. Eine
Spiralpumpe 110 mit gemeinsamer Drehung ist innerhalb des
Gehäuses 100 angeordnet. Die Spiralpumpe 110 mit
gemeinsamer Drehung umfaßt einen nicht umlaufenden
Spiralflügel 112 und einen umlaufenden Spiralflügel 114.
Der nicht umlaufende Spiralflügel 112 ist an einer
kreisförmigen Scheibe 120 montiert, die durch eine
Antriebswelle 122 mit einem Motor 124 gekoppelt ist. Der
Motor 124 bewirkt, daß sich die Scheibe 120, der nicht
umlaufende Spiralflügel 112 und der umlaufende Spiralflügel
114 während des Betriebs mit einer vorgeschriebenen
Geschwindigkeit drehen. Der umlaufende Spiralflügel 114 ist
mit einer Welle 126 gekoppelt. Die Anordnung ist derart,
daß die Umlaufbewegung des Spiralflügels 114 relativ zum
Spiralflügel 112 erzeugt wird, wenn sich beide Spiralflügel
drehen.
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Ein äußerer Bereich der Scheibe 120 und des Gehäuses 100
umfaßt einen Regenerationsverdichter 130. Ein Einlaß des
Regenerationsverdichters 130 ist mit dem Gehäuseeinlaß 102
gekoppelt und ein Auslaß des Regenerationsverdichters 130
ist mit einem Einlaß der Spiralpumpe 110 mit gemeinsamer
Drehung gekoppelt. Ein Auslaß der Spiralpumpe 110 mit
gemeinsamer Drehung ist mit dem Gehäuseauslaß 104
gekoppelt. Somit sind der Regenerationsverdichter 130 und
die Spiralpumpe 110 in der Vakuumpumpvorrichtung von Fig. 3
in Reihe geschaltet. Die Vakuumpumpvorrichtung von Fig. 3
bildet daher ein Ausführungsbeispiel der in Fig. 2
gezeigten und vorstehend beschriebenen
Vakuumpumpvorrichtung. Typischerweise weist der
Regenerationsverdichter 130 eine relativ hohe
Pumpgeschwindigkeit auf und die Spiralpumpe 110 weist ein
relativ hohes Verdichtungsverhältnis auf. Folglich weist
die Vakuumpumpvorrichtung von Fig. 3 eine hohe
Pumpgeschwindigkeit und ein hohes Verdichtungsverhältnis
auf.
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Die Scheibe 120 wirkt als Laufrad oder Rotor und das
Gehäuse 100 wirkt als Stator des Regenerationsverdichters
130. In dem Beispiel von Fig. 3 ist ein ringförmiger Ring
134 nahe dem äußeren Umfang der Scheibe 120 montiert. Der
ringförmige Ring 134 ist mit voneinander beabstandeten
radialen Rippen 136 versehen. Hohlräume 138 sind zwischen
jedem Paar von Rippen 136 festgelegt. Die Hohlräume 138
können gekrümmte Konturen aufweisen, die durch Entfernen
von Material des ringförmigen Rings 134 zwischen den Rippen
136 ausgebildet werden. Das Gehäuse 100 ist mit einem
kreisförmigen Kanal 140 in entgegengesetzter Beziehung zu
den Rippen 136 und Hohlräumen 138 versehen. Das Gehäuse 100
umfaßt ferner eine Zwischenwand 142 oder einen Abstreifer
an einem Umfangsort. Eine Leitung, die mit dem Kanal 140
auf einer Seite der Zwischenwand 142 verbunden ist, legt
einen Einlaß des Regenerationsverdichters 130 fest, und
eine Leitung, die mit dem Kanal 140 auf der anderen Seite
der Zwischenwand 142 verbunden ist, legt einen Auslaß des
Regenerationsverdichters 130 fest.
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Im Betrieb wird die Scheibe 120 durch den Motor 124 um die
Welle 122 gedreht. Gas tritt in den Kanal 140 über den
Gehäuseeinlaß 102 ein und wird durch den Kanal 140 gepumpt.
Die Drehung der Scheibe 120 und der Rippen 136 bewirkt, daß
das Gas durch die Hohlräume 138 und den Kanal 140 gepumpt
wird. Das Gas wird dann über den Auslaß des
Regenerationsverdichters 130 zum Einlaß der Spiralpumpe 110
abgeführt. Es ist selbstverständlich, daß die Anordnung des
Regenerationsverdichters 130 innerhalb des Schutzbereichs
der vorliegenden Erfindung verändert werden kann. Die Größe
und die Form der Rippen 136, der Hohlräume 138 und des
Kanals 140 können beispielsweise innerhalb des
Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung verändert werden.
Die Struktur und der Betrieb von Regenerationsverdichtern
ist Fachleuten im allgemeinen bekannt.
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Ein Beispiel einer nicht erfindungsgemäßen
Vakuumpumpvorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Die
Vakuumpumpvorrichtung 200 umfaßt ein im allgemeinen
vakuumdichtes Gehäuse 202 mit einem Einlaß 204 und einem
Auslaß 206. Eine erste Spiralpumpe 210 und eine zweite
Spiralpumpe 212 sind innerhalb des Gehäuses 202 angeordnet.
Ein Einlaß der ersten Spiralpumpe 210 ist mit dem
Gehäuseeinlaß 204 verbunden und ein Auslaß der zweiten
Spiralpumpe 212 ist mit dem Gehäuseauslaß 206 verbunden.
Eine Verbindung (nicht dargestellt) zwischen einem Auslaß
der ersten Spiralpumpe 210 und einem Einlaß der zweiten
Spiralpumpe 212 schaltet die Spiralpumpen 210 und 212
effektiv in Reihe. Eine Antriebswelle 216 verbindet die
Spiralpumpen 210 und 212 mit einem Motor 218.
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Die erste Spiralpumpe 210 umfaßt einen nicht umlaufenden
Spiralflügel 220, einen umlaufenden Spiralflügel 222 und
einen Exzenterantrieb 224 mit einem ersten Umlaufradius R&sub1;.
Exzenterantriebsmitnehmer 226, die zwischen den umlaufenden
Spiralflügel 222 und das Gehäuse 200 (oder ein anderes
stationäres Element der Vorrichtung) gekoppelt sind,
ermöglichen, daß der Spiralflügel 222 relativ zum
Spiralflügel 220 umläuft, während eine Drehung des
Spiralflügels 222 verhindert wird. Die zweite Spiralpumpe
212 umfaßt einen nicht umlaufenden Spiralflügel 230, einen
umlaufenden Spiralflügel 232 und einen Exzenterantrieb 234
mit einem zweiten Umlaufradius R&sub2;. Die nicht umlaufenden
Spiralflügel 220 und 230 können beispielsweise auf
entgegengesetzten Seiten einer einzelnen Platte ausgebildet
sein. Die Exzenterantriebsmitnehmer 236, die zwischen den
umlaufenden Spiralflügel 232 und das Gehäuse 200 (oder ein
anderes stationäres Element der Vorrichtung) geschaltet
sind, ermöglichen eine Umlaufbewegung des Spiralflügels
232, während eine Drehung desselben verhindert wird.
Der Umlaufradius R&sub1; der ersten Spiralpumpe 210 ist vom
Umlaufradius R&sub2; der zweiten Spiralpumpe 212 verschieden.
Dies kann beispielsweise durch Versehen der
Exzenterantriebe 224 und 234 mit verschiedenen Kurbelradien
erreicht werden. Ebenso weisen die
Exzenterantriebsmitnehmer 226 und 236 verschiedene
Umlaufradien auf, die den jeweiligen Kurbelradien
entsprechen. Wie vorstehend angegeben, ist eine der
Bestimmungsgrößen der Spiralpumpenleistung ihr
Umlaufradius. Somit können die Spiralpumpen 210 und 212
verschiedene Leistungseigenschaften innerhalb einer
einzelnen Vakuumpumpvorrichtung aufweisen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Umlaufradius R&sub1; der
ersten Spiralpumpe 210 größer als der Umlaufradius R&sub2; der
zweiten Spiralpumpe 212. Dies ermöglicht, daß die erste
Spiralpumpe 210 weniger Windungen für einen gegebenen
Spiralflügeldurchmesser und eine höhere Pumpgeschwindigkeit
aufweist. Die zweite Spiralpumpe 212 kann mehr Windungen
für einen gegebenen Spiralflügeldurchmesser und ein relativ
hohes Verdichtungsverhältnis aufweisen. Die
Vakuumpumpvorrichtung von Fig. 4 kann daher in Abhängigkeit
von der Auswahl der Umlaufradien R&sub1; und R&sub2; sowohl eine hohe
Pumpgeschwindigkeit als auch ein hohes
Verdichtungsverhältnis aufweisen.
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Die Spiralpumpen in der Vakuumpumpvorrichtung von Fig. 4
weisen eine herkömmliche Anordnung auf, wobei jede
Spiralpumpe einen stationären Spiralflügel aufweist. Die
Anordnung, bei der verschiedene Spiralpumpen in einer
Vakuumpumpvorrichtung verschiedene Umlaufradien aufweisen,
kann auch im Fall von Spiralpumpen mit gemeinsamer Drehung,
bei denen sich beide Spiralflügel der Spiralpumpe drehen
und ein Spiralflügel relativ zum anderen umläuft,
angewendet werden.
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Ein Beispiel einer weiteren Vakuumpumpvorrichtung ist in
Fig. 5 und 6 dargestellt. Eine Spiralvakuumpumpe 300 umfaßt
ein nicht umlaufendes Element 302, ein umlaufendes Element
304 und einen Exzenterantrieb 306, der mit dem umlaufenden
Element 304 gekoppelt ist. Das nicht umlaufende Element 302
umfaßt eine Platte 308 und einen nicht umlaufenden
Spiralflügel 310, der sich von der Platte 308 erstreckt.
Das umlaufende Element 304 umfaßt eine Platte 312 und einen
umlaufenden Spiralflügel 314, der sich von der Platte 312
erstreckt. Die Spiralpumpe 300 umfaßt einen Einlaß 316 an
einem äußeren Umfang der Spiralflügel 310 und 314 und einen
Auslaß 318 nahe dem Zentrum der Spiralflügel. Die
Spiralflügel 310 und 314 sind ineinander verschachtelt, um
ein oder mehrere Taschen zwischen den Flügeln festzulegen,
die sich vom Einlaß 316 zum Auslaß 318 hin bewegen, wenn
der Exzenterantrieb 306 eine Umlaufbewegung des
Spiralflügels 314 relativ zum Spiralflügel 310 erzeugt.
Gleitdichtungen 320 sind zwischen benachbarten
Zwischenflügeltaschen angeordnet und isolieren diese. Die
Gleitdichtungen 320 sind typischerweise als Streifen aus
einem elastischen, haltbaren Material ausgebildet, die
zwischen der Kante jedes Spiralflügels und der
entgegengesetzten Platte angeordnet sind. Das
Dichtungsmaterial kann in Nuten in den Kanten der
Spiralflügel angeordnet sein. Die Dichtungen isolieren
wirksam benachbarte Zwischenflügeltaschen der Spiralpumpe
und ermöglichen, daß ein höheres Verdichtungsverhältnis
erzielt wird.
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Einer der Nachteile einer Spiralpumpe besteht darin, daß
das Durchsickern von der Atmosphäre in den Einlaß 316 der
Spiralpumpe durch eine Flügeldichtung 324 am äußeren Umfang
der Pumpe das erreichbare Vakuum verringert, insbesondere
wenn die Pumpe ein relativ hohes Verdichtungsverhältnis
aufweist. Das Durchsickern in den Einlaß der Spiralpumpe
kann an irgendeinem Punkt um ihren Umfang auftreten.
Insbesondere kann das Durchsickern mit Bezug auf Fig. 6
durch die äußerste Flügeldichtung 324 der Spiralpumpe von
der Atmosphäre in die Einlaßstufe der Spiralpumpe
auftreten. Um das Durchsickerungsproblem zu mildern, ist
eine Gleitdichtung 330 in einer geschlossenen Schleife
zwischen dem nicht umlaufenden Element 302 und dem
umlaufenden Element 304 der Spiralpumpe außerhalb der
Spiralflügel 310 und 314 angeordnet. Die Platte 312 des
umlaufenden Elements 304 kann nach Bedarf erweitert werden,
um eine Oberfläche für die Gleitdichtung 330 vorzusehen.
Die Gleitdichtung 330 weist typischerweise eine Kreisform
auf. Der Raum zwischen der äußersten Flügeldichtung 324 und
der Dichtung 330 in einer geschlossenen Schleife legt ein
Einlaßvolumen 332 fest, das mit einem Zwischendruck
verbunden werden kann. Während des normalen Betriebs ist
der Zwischendruck niedriger als der Umgebungsdruck. In dem
Beispiel von Fig. 5 und 6 kann das Einlaßvolumen 332 über
eine Leitung 336 mit einer Zwischenstufe der Spiralpumpe
verbunden werden. Die Leitung 336 kann den äußeren Umfang
der Spiralpumpe mit einer Zwischenstufe in der Spiralpumpe
über das nicht umlaufende Element 302 verbinden. Bei einer
alternativen Verbindung ist eine Leitung 338 zwischen dem
Einlaßvolumen 332 und einer Zwischenstufe der Spiralpumpe
über das umlaufende Element 304 angeschlossen. Es ist
selbstverständlich, daß das Einlaßvolumen 332 mit einer
separaten Vakuumpumpe verbunden sein kann. Diese Anordnung
ist jedoch hinsichtlich der zusätzlichen Kosten weniger
praktisch als das einfache Verbinden des Einlaßvolumens 332
mit einer Zwischenstufe derselben Vakuumpumpe. Die in Fig.
5 und 6 gezeigte Anordnung verringert das Durchsickern
anteilig zum Verhältnis des Umgebungsdrucks wie z. B. der
Atmosphäre zum Zwischendruck des Einlaßvolumens 332. Wenn
der Zwischendruck beispielsweise 1/10 einer Atmosphäre
beträgt, wird das Durchsickern 10fach verringert.
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Bei Spiralpumpen des Standes der Technik, die einen
einzelnen Spiralflügelsatz verwenden, sind der Motor und
der Antriebsmechanismus auf der Seite des umlaufenden
Spiralflügels der Spiralpumpe angeordnet. Diese Anordnung
ist mechanisch einfach, aber unterliegt einem Durchsickern
durch die Dichtungen benachbart zum Einlaß, wie vorstehend
beschrieben. Da der Motor und der Antriebsmechanismus
benachbart zum Einlaß angeordnet sind, können Öl und eine
Teilchenverunreinigung in die Spiralpumpe gelangen.
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Eine Spiralpumpenanordnung, die diese Nachteile beseitigt,
ist in Fig. 7 dargestellt. Eine Spiralpumpe 400 umfaßt
einen einzelnen Spiralflügelsatz innerhalb eines Gehäuses
402 mit einem Einlaß 404 und einem Auslaß 406. Das Gehäuse
402 kann einen zylindrischen Teil 408 umfassen, der an
einem Ende durch eine Platte 412 verschlossen ist und am
anderen Ende durch eine Platte 414 verschlossen ist. Ein
nicht umlaufender Spiralflügel 410 erstreckt sich von der
Platte 412 nach oben. Ein umlaufendes Element 416 mit einer
Platte 418 und einem umlaufenden Spiralflügel 420, der sich
von der Platte 418 nach unten erstreckt, ist im Gehäuse 402
angeordnet. Die Spiralflügel 410 und 420 sind ineinander
verschachtelt, um Taschen 422 zwischen den Flügeln
festzulegen. Das umlaufende Element 416 ist durch eine
Welle 424 über eine Öffnung 426 in der Plätte 412 mit einem
Exzenterantrieb 430 verbunden. Die Öffnung 426 liegt
benachbart zum Auslaß 406 der Spiralpumpe oder stimmt mit
diesem überein. Der Exzenterantrieb 430 ist durch eine
Antriebswelle 432 mit einem Motor 434 verbunden. Der
Exzenterantrieb 430 kann beispielsweise einen Mitnehmer 440
umfassen, der durch Lager 442 mit einem Antriebsgehäuse 444
gekoppelt ist. Das Antriebsgehäuse 444 ist starr mit einer
Welle 424 verbunden. Exzenterantriebsmitnehmer 448 sind
zwischen die Platte 412 des Gehäuses 402 und das
Antriebsgehäuse 444 gekoppelt. Wenn der Motor 434 aktiviert
wird, erzeugt der Exzenterantrieb 430 eine Umlaufbewegung
des Spiralflügels 420 relativ zum Spiralflügel 410.
Zwischenflügeltaschen 422 zwischen den Spiralflügeln 410
und 420 werden durch den Umlauf des Spiralflügels 420 dazu
veranlaßt, sich zum Auslaß 406 hin zu bewegen und dadurch
Gas vom Einlaß 404 zu pumpen. Es ist selbstverständlich,
daß eine Vielfalt von verschiedenen Exzenterantrieben
innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können.
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Bei der Spiralpumpenanordnung von Fig. 7 sind der Motor 434
und der Antriebsmechanismus 430 benachbart zum Auslaß 406
der Spiralpumpe angeordnet, wodurch das Risiko verringert
wird, daß Verunreinigungen, die durch den Motor 434 und den
Exzenterantrieb 430 erzeugt werden, durch den Einlaß 404 in
die Pumpe gesaugt werden. Ferner ist das Gehäuse 402 so
gestaltet, daß es die Spiralflügel 410 und 420 im
wesentlichen umgibt, so daß ein Durchsickern am Einlaß in
die Spiralpumpe begrenzt wird. Bei der Anordnung von Fig. 7
sind die Spiralflügel 410 und 420 im wesentlichen von dem
zylindrischen Gehäuseteil 408 und den Platten 412 und 414
umgeben.
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Obwohl so zumindest ein erläuterndes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben wurde, erscheinen Fachleuten
leicht verschiedene Modifikationen und Verbesserungen und
diese sollen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung
liegen. Folglich dient die vorangehende Beschreibung nur
als Beispiel und ist nicht als Begrenzung vorgesehen. Die
Erfindung ist nur begrenzt, wie in den folgenden Ansprüchen
definiert.