Eine Kolbenvakuumpumpe dieser Art ist aus der WO 00/63556 bekannt. Jedem Kolben der Kolbenpaare ist ein Linearantrieb zugeordnet. Im Bereich jeder der beiden Stirnseiten des Kolbens befindet sich eine ; Kompressi- onsstufe mit Schöpfraum, Einlass-und Auslässventil..

Das Einlassventil öffnet jeweils in der Nähe eines- <BR> <BR> <BR> . ersten-Totpunktes, vom Kolben selbst gesteuert. Am Ende der Kolbenbewegung zum. anderen - zweiten - Tot- punkt öffnet öffnet der Kolben durch'seine Geometrie ein stirnseitig angeordnetes Auslassventil. Die Druckdif- ferenz kann nur in der letzten (druckseitigen) Kompres- sionsstufe zur Öffnung des Auslassventiles verwendet werden, da nur an dieser Stelle hinreichend hohe''Druck- differenzen auftreten.

Der Li. nearbetrieb der Kolben ist so ausgelegt, dass je- der Kolben um seine Mittellaye schwingt. Beim Linearan- trieb nach der WO 00/63556 trägt der Kolben in seinem , m ittleren Bereich eine Permanentmagneten. Diesem sind seitlich Stator-Permanentmagneten zugeordnet. Symme- trisch dazu angeordnete, periodisch bestromte Spulen erzeugen elektromagnetische, die Kolbenbewegung bewir- kende Kräfte.

Bei mehrstufigen Kolbenvakuumpumpen der betroffenen Art schwingen ihre Kolben zweckmäßig paarweise gegenläufig zueinander, so dass Vibrationen vermieden werden kön- nen. Die Anzahl ihrer Kolben beträgt deshalb zwei oder ein Vielfaches davon. Pro Kolben sind zwei Kompressi- onsstufen vorhanden.

Bei mehrstufigen Vakuumpumpen im allgemeinen und auch bei Kolbenvakuumpumpen im besonderen ist es bekannt, diese so zu betreiben, dass die Schöpfraumvolumina der Pumpstufen von der Saugseite zur Druckseite abnehmen, und zwar in etwa in dem Maße, mit dem das Volumen der geförderten Gase mit dem zunehmenden Druck abnimmt. Bei der Kolbenvakuumpumpe nach der WO 98/00077 sind bei- spielsweise vier saugseitige Kompressionsstufen paral- lel geschaltet und bilden die erste Pumpstufe. Zwei weitere parallel geschaltete Kompressionsstufen bilden die zweite Pumpstufe. Die beiden letzten Kompressions- stufen sind hintereinander geschaltet und bilden die dritte und vierte Pumpstufe.

Bei Versuchen mit Kolbenvakuumpumpen der hier betroffe- nen Art, bei denen die Kolben vom Linearantrieb in Schwingungen versetzt werden, ergab sich, dass sie nicht die erwarteten Leistungsdaten hatten. Als Ursache für diese Versuchsergebnisse wurde folgendes erkannt : Das Schwingen der Kolben um ihre Mittellage ist dadurch gestört, dass in den beiden stirnseitig angeordneten Schöpfräumen der Kompressionsstufen eines Kolbens un- terschiedliche Drücke herrschen. Dies gilt insbesondere für den druckseitig angeordneten Kolben, dessen Kom- pressionsstufen entsprechend der in der Vakuumtechnik üblichen Betriebsweise zwei hintereinander angeordnete Pumpstufen bilden. Bei unterschiedlichen Drücken in den stirnseitigen Kompressionsstufen schwingt der Kolben nicht mehr symmetrisch um seine Mittellage. Die Folge der-asymmetrischen Kolbenbewegung ist, dass Einlass- und/oder Auslassventile nicht mehr vollständig öffnen.

Insgesamt ist der Hub des Kolbens lastabhängig, d. h. dass einige Ventile bei zunehmender Druckdifferenz ih- ren Öffnungsquerschnitt nicht mehr vollständig oder- bei hinreichend hohen Druckdifferenzen in den einander gegenüberliegenden Kompressionsstufen-gar nicht mehr freigeben.

Es wäre denkbar, den zumindest druckseitigen Kolben mit einem stärkeren Linearantrieb auszurüsten. Diese Maß- nahme würde jedoch die hier betroffenen mehrstufigen Kolbenvakuumpumpen erheblich verteuern, da für die An- triebe einer Pumpe unterschiedliche Bauteile (Magnete, Spulen, Joche und dgl.) verwendet werden müssten. Eine Verstärkung aller Linearantriebe würde darüber hinaus dem Ziel der Minimierung der aufgenommenen elektrischen Leistung entgegenstehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenvakuumpumpe der hier betroffenen Art so aus- zubilden, dass die die Lastabhängigkeit betreffenden Nachteile weitestgehend beseitigt sind, ohne die Kosten und/oder die Leistungsaufnahme eines oder mehrerer An- triebe erhöhen zu müssen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich- nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Als erste Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, zumin- dest das Einlassventil der letzten Pumpstufe so zu ge- stalten, dass es auch noch bei Kolbenbewegungen öffnet, die-aufgrund hoher Lasten bzw. hoher Druckdifferenzen eine reduzierte Amplitude haben. Diese Voraussetzung erfüllt das Einlassventil, wenn die als Radialschlitz in der Kolbenwand ausgebildete Einlassöffnung in axia- ler Richtung relativ groß ist. Zweckmäßig beträgt die axiale Höhe 10% bis 20%, vorzugsweise 20%, des Kolben- hubs. Dadurch ist sichergestellt, dass der Kolben die Einlassöffnung auch bei durch hohe Lasten reduzierter Bewegungsamplitude noch ausreichend weit öffnet. Das Auslassventil öffnet zunächst nur aufgrund der vorhan- denen hohen Druckdifferenzen. Nimmt die Last bzw. die Druckdifferenz ab, ist der Kolben wieder in der Lage, seine volle Hubbewegung auszuführen. Der Einlassquer- schnitt wird zunehmend freigegeben. Der Kolben selbst öffnet das Auslassventil.

Bei einer zweiten Lösung der gestellten Aufgabe sind die beiden Kompressionsstufen des druckseitigen Kolbens parallel geschaltet und bilden die letzte druckseitige Pumpstufe. Die Stirnseiten des Kolbens"sehen"während des Betriebs im wesentlichen gleiche Drücke. Das gleichmäßige Schwingen des Kolbens um seine Mittellage ist nicht gestört. Beide Auslass-und Einlassventile öffnen vollständig. Die Leistungsdaten der beiden Kom- pressionsstufen sind durch ungleichmäßiges Schwingen des Kolbens nicht reduziert. Bei dieser Lösung wird zwar von der in der Vakuumtechnik üblichen Betriebs- weise mehrstufiger Vakuumpumpen abgewichen. Die letzte Pumpstufe mit zwei parallel betriebenen Kompressions- stufen hat insgesamt ein größeres Volumen als der Schöpfraum der vorhergehenden Pumpstufe. Dieser Nach- teil kann jedoch durch den Vorteil, dass ein gleich- mäßiges Schwingen des Kolbens der letzten Pumpstufe si- chergestellt ist, ohne weiteres in Kauf genommen wer- den.

Beim dritten Lösungsvorschlag haben die pumpwirksamen Abschnitte zumindest des druckseitigen Kolbens unter- schiedliche Durchmesser. Dadurch wird erreicht, dass das Schöpfraumvolumen des Kompressionsraumes des Kol- benabschnittes mit dem kleineren Durchmesser kleiner ist als das Schöpfraumvolumen des Kolbenabschnittes mit dem größeren Durchmesser. Bei dieser Ausführung ist die Bewegung des Kolbens um seine Mittellage gerade dann im wesentlichen gleichmäßig, wenn im kleineren Schöpfraum höhere Drücke auftreten als im größeren Schöpfraum. Es besteht die Möglichkeit, die beiden druckseitigen Schöpfräume-wie allgemein in der Vakuumtechnik üblich - hintereinander anzuordnen. Die gleichmäßige Kolbenbe- wegung ist dann am wenigsten gestört, wenn das Produkt aus stirnseitiger Kolbenstirnfläche und mittlerem, im zugehörigen Schöpfraum auftretenden Druck auf beiden Seiten etwa gleich ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 4 schematisch darge- stellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen - Figur 1 eine Lösung mit einer druckseitig ver- größerten Einlassöffnung, Figuren 2 und 3 Lösungen, bei denen die beiden druckseitigen Kompressionsstufen parallel an- geordnet sind, und Figur 4 eine Lösung, bei der die pumpwirksamen Kol- benabschnitte des druckseitig gelegenen Kol- bens unterschiedliche Durchmesser haben.

Die Figuren zeigen jeweils eine Kolbenvakuumpumpe 1 mit einem Kolbenpaar (Kolben 2 und 3). Jeder Kolben weist Kolbenabschnitte 4,5 bzw. 6,7 auf, deren freien Stirnseiten jeweils ein zylindrischer Schöpfraum 11 bis 14 zugeordnet ist. Die Kolben 2,3 und die Schöpfräume 11 bis 14 befinden sich in einem Gehäuse 15 mit Zylin- derabschnitten 16 bis 19 für jeden der Kolbenabschnitte 4 bis 7. Die Werkstoffe der Zylindergleitflächen und der zugehörigen Kolbenoberflächen sind in an sich be- kannter Weise so gewählt, dass die Pumpe trocken, d. h. ohne Schmiermittel betrieben werden kann.

Jedem der Kolben 2,3 ist ein Linearantrieb zugeordnet.

Er umfaßt kolbenseitig jeweils einen Permanentmagnet- ring 21,22, der den Kolben 2,3 in seinem mittleren Bereich umgibt. Die Permanentmagnetringe 21,22 bewegen sich jeweils in einem den Kolben umgebenden Ringraum 23,24. Statorseitig sind jedem der beiden kolbenseiti- gen Permanentmagneten 21, 22 weitere Permanentmagnet- ringe 26 bis 29 zugeordnet, die jeweils die axiale Be- grenzung der Ringräume 23,24 bilden. Statorseitige Be- standteile des Linearantriebs sind weiterhin Spulen 31 bis 34 und diese Spulen umfassende Jochbauteile 35 bis 38. Die Spulen 31 bis 34 werden so bestromt, dass die von ihnen erzeugten und von den Jochbauteilen 35 bis 38 geführten Magnetfelder mit den Magnetfeldern der Perma- nentmagnetringe 21,22,26,27 in der gewünschten Weise in Wechselwirkung treten. Die Kolben 2,3 sollen um ei- ne Mittellage schwingen, so dass die Kolbenstirnseiten während dieser Bewegung ihre Pumpfunktionen erfüllen können.

Zur Erfüllung der gewünschten Pumpwirkung sind die Kom- pre. ssionsräume 11 bis 14 jeweils mit einem Einlassven- til und einem Auslassventil ausgerüstet. Zu jedem der Einlassventile 41 bis 44 gehören eine Einlassöffnung 45 bis 48, die sich jeweils zwischen einer äußeren Ein- lasskammer 49 bis 52 und dem jeweiligen Schöpfräume 11 bis 14 befindet. Die Einlassöffnungen 45 bis 48 sind als schlitzförmige, sich radial erstreckende Durchbre- chungen in der jeweiligen Zylinderwand ausgebildet. Die Kolbenabschnitte 4 bis 7 geben jeweils die Einlassöff- nung frei, wenn sie eine ihrer beiden Totpunktlagen an- nehmen (jeweils in den Zylinder zurückgezogene Stel- lung).

Die Auslassventile 54 bis 57 sind jeweils stirnseitig angeordnet. Ihre Verschlußelemente trennen den jeweili- gen Kompressionsraum von einem Auslassraum (58 bis 61) so lange, bis sie vom jeweiligen Kolbenabschnitt 4 bis 7-bei hohen Druckdifferenzen auch vom erzeugten Druck - geöffnet werden. Die Verschlusselemente sind als sich über den gesamten Querschnitt der Zylinderabschnitte erstreckende, flexible Teller 62 bis 65 ausgebildet, die zentral am Gehäuse 2 befestigt sind und peripher durch den erzeugten Druck oder durch die Stirnseiten des Kolbens betätigt werden. Die Kolbenstirnseiten sind konkav gestaltet. Die Stirnseiten der Zylinderwände bilden die Ventilsitze. Die aus den Ventilen 54 bis 57 austretenden Gase treten zunächst in die Auslasskammern 58 bis 61 ein, an die sich die Auslässe 66 bis 69 an- schließen. Andere Gestaltungen der Auslassventile, wie sie bespielsweise aus der DE-A-196 34 518 bekannt sind, können realisiert werden.

Insgesamt sind vier Kompressionsstufen vorhanden, je- weils bestehend aus einem Kolbenabschnitt 4 bis 7, ei- nem Schöpfraum 11 bis 14, einem Zylinderabschnitt 16 bis 19, einem Eintrittsventil 41 bis 44 und einem Aus- trittsventil 54 bis 57.

Bei der Ausführung nach Figur 1 für eine mehrstufige Vakuumpumpe nach der Erfindung ist der Eintritt der Pumpe mit 71 bezeichnet. Er steht mit den Einlasskam- mern 49 und 50 in Verbindung. Die beiden zugehörigen Kompressionsstufen sind parallel geschaltet. Sie bilden gemeinsam mit den zugehörigen Bauteilen eine erste, saugseitig gelegene Pumpstufe. Die Auslässe 66,67 der beiden Auslasskammern 58,59 sind gemeinsam über die Leitung 72 mit der Einlasskammer 51 verbunden. Sie ge- hört zur Kompressionsstufe mit dem Schöpfraum 13, wel- che die zweite Pumpstufe bildet. Der Auslass 68 dieser Kompressionsstufe steht über die Leitung 73 mit der Einlasskammer 52 in Verbindung, die Bestandteil der Kompressionsstufe mit dem Kompressionsraum 14 ist und die dritte, druckseitig gelegene Pumpstufe bildet. Der Auslass dieser Pumpstufe ist mit 69 bezeichnet. Er bil- det den Austritt 70 der mehrstufigen Pumpe 1.

Um den Nachteil der Lastabhängigkeit der beiden letzten Pumpstufen zu reduzieren, ist die zum Einlassventil 44 gehörende Einlassöffnung 48 in axialer Richtung relativ groß ausgebildet. Die Höhe des Radialschlitzes im Zy- linderabschnitt 19 beträgt etwa 20 % des Kolbenhubes, so dass der Kolbenabschnitt 7 auch bei nicht symme- trisch um seine Mittellage schwingenden Kolben 3, ver- ursacht durch die Druckdifferenz in den Schöpfräumen 13,14, die Einlassöffnung 48 zumindest zum Teil frei- geben kann.

Bei der Lösung nach Figur 2 umfasst die mehrstufige Va- kuumpumpe-wie bei der Ausführung nach Figur 1-eben- falls vier Kompressionsstufen. Die Einlassöffnung 48 des Einlassventils 44 hat die gleichen Abmessungen wie die Einlassöffnungen der übrigen Einlassventile 41,42, 43. Der Eintritt der Pumpe ist mit 71 bezeichnet. Er steht mit der Einlasskammer 49 der Kompressionsstufe mit dem Schöpfraum 11 in Verbindung. Die Auslasskammer 58 (Auslass 66) dieser Kompressionsstufen steht über die Leitung 57 mit der Einlasskammer 50 der Kompressi- onsstufe mit dem Schöpfraum 12 in Verbindung, d. h., dass die genannten Kompressionsstufen hintereinander geschaltet sind. Der Auslass 67 steht über die Leitung 76 mit beiden Einlasskammern 51,52 des druckseitigen Kolbens 3 in Verbindung. Die beiden Auslasskammern 60, 61 dieser Kompressionsstufen sind über die Leitung 77 gemeinsam mit dem Austritt 70 der Pumpe 1 verbunden.

Asymmetrische Schwingungen des druckseitigen Kolbens 3 treten bei der Lösung nach Figur 2 nicht auf, da auf beiden Seiten des Kolbens 3 im wesentlichen die glei- chen Drücke herrschen. Beim saugseitig gelegenen Kolben 2 mit seinen hintereinander angeordneten Kompressions- stufen ist die Asymmetrie seiner Schwingungen vernach- lässigbar, da die Differenz der in den beiden Kompres- sionsstufen vorhandenen Drücke klein ist.

Bei der Ausführung nach Figur 2 steht der Eintritt 71 der Pumpe 1 über die Leitung 81 mit dem Rückschlagven- til 82 mit den Einlasskammern 51 und 52 der beiden druckseitigen, parallel angeordneten Kompressionsstufen in Verbindung. Die Schließrichtung des Rückschlagven- tils 82 ist so gewählt, dass es während des Normalbe- triebs der Pumpe 1 geschlossen ist. Während dieses Be- triebs ist der Druck im Eintritt 71 der Pumpe 1 kleiner als der Druck in den Einlasskammern 51,52 der druck- seitigen Pumpstufe.

Beim Beginn der Evakuierung einer Kammer können sich jedoch umgekehrte Druckverhältnisse einstellen, da das Saugvermögen der druckseitigen, aus zwei parallel ange- ordneten Kompressionsstufen bestehenden Pumpstufe höher ist als die Saugvermögen der vorhergehenden Pumpstufen (hintereinander angeordnete Kompressionsstufen). In dieser Phase öffnet das Rückschlagventil 82 (zweckmäßig bei einer Druckdifferenz von ca. 100 mbar) und stellt eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Eintritt 71 der Pumpe 1 und ihrer druckseitigen Pumpstufe her. Das höhere Saugvermögen dieser Pumpstufe sorgt für eine ra- sche Evakuierung der angeschlossenen Kammer bis zum Zeitpunkt der Umkehr der Druckverhältnisse. Das Ventil 82 schließt. Danach arbeitet die Pumpe 1 dreistufig und evakuiert die angeschlossene Kammer auf den gewünschten Enddruck.

Das Rückschlagventil ist nur schematisch dargestellt.

Viele Ausführungen, wie sie beispielsweise in der DE 199 17 009 A l'offenbart sind, sind möglich.

Die Ausführung nach Figur 3 entspricht weitgehend der Ausführung nach Figur 2. Ein Unterschied besteht in Be- zug auf den Kolben 3. Der Durchmesser seiner Kolbenab- schnitte 6,7, die Bestandteile der druckseitigen, aus zwei parallel geschalteten Kompressionsstufen bestehen- den Pumpstufe sind, ist kleiner als bei der Ausführung nach Figur 2 (um ca. 30 %). Das Saugvermögen dieser Pumpstufe ist dadurch nicht mehr wesentlich höher als das Saugvermögen der vorhergehenden Pumpstufen.

Um bei einer Ausführung der in Figur 3 dargestellten Art die Anzahl der veränderten Bauteile klein zu hal- ten, sind außer den angepaßten Kolbenabschnitten 6,7 nur noch Zylinderabschnitte 18,19 mit entsprechend di- ckerer Wandstärke vorhanden. Sämtliche übrigen Bauteile (Spulen, Joche, kolben-und statorseitige Perma- nentmagnete, Ventile o. dgl.) sind im Vergleich zur An- ordnung mit dem Kolben 2 unverändert, so dass alle An- triebe die gleiche Größe und die gleichen Eigenschaften haben.

In Figur 3 ist zusätzlich schematisch angedeutet, dass die Pumpe 1 weitere saugseitige Pumpstufen besitzen kann. eine aus zwei parallel geschalteten Kompressions- stufen 84,85 bestehende Pumpstufe 86 ist dem Eintritt 71 vorgelagert. Bei den Kompressionsstufen 84,85 kann es sich um gleichartige Kolbenstufen oder auch um Stu- fen handeln, die nach einem anderen Pumpprinzip arbei- ten. An Stelle der Pumpstufe 86-oder auch der Pump- stufe 86 vorgelagert-kann auch eine Hochvakuumpumpe (z. B. eine Turbomolekularvakuumpumpe) angeordnet sein.

Die vorstehend beschriebenen Einrichtungen können na- türlich auch bei den Ausführungen nach den Figuren 1, 2 und 4 eingesetzt werden.

Bei der Ausführung nach Figur 4 sind die Kompressions- stufen des saugseitigen Kolbens 1 parallel geschaltet.

Der Eintritt 71 der Pumpe 1 steht mit den beiden Ein- lasskammern 49,50 in Verbindung. Die Kompressionsstu- fen des Kolbens 3 sind hintereinander geschaltet.

Um ein asymmetrisches Schwingen des Kolbens 3 um seine Mittellage zu vermeiden, hat der Kolbenabschnitt 7 der druckseitigen Kompressionsstufe einen kleineren Durch- messer als der Kolbenabschnitt 6. Wie bei der Ausfüh- rung nach Figur 3 haben nur der Kolbenabschnitt 7 und der Zylinderabschnitt 19 veränderte Dimensionen.