Eine derartige Vakuum-Kolbenpumpe ist aus DE-A-101 49 506 und WO 00/63556 bekannt. Bei diesen Kolbenpumpen werden für eine mehrstufige Verdichtung die zwei Kompressionsstufen durch eine Gas-Verbindungsleitung in Reihe miteinander verbunden. Der Hubraum der beiden Kompressionsstufen ist gleich, so dass insbesondere bei hohen Eingangsdrücken der ersten Kompressionsstufe in der zweiten Kompressionsstufe eine erhebliche Überkompression erzeugt wird, die eine relativ hohe Antriebsleistung erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuum-Kolbenpumpe zu schaffen, die mit einer relativ geringen Antriebsleistung auskommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An- spruchs 1 gelöst'.

Bei der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe ist der von dem Kolben und dem Zylinder'der ersten Kompressionsstufe definierte Hub- raum größer als der der zweiten Kompressionsstufe. Hierdurch ist das Saugvermögen der beiden Kompressionsstufen derart an- einander angepasst, dass in der zweiten Kompressionsstufe eine erhebliche Überkompression vermieden wird. Hierdurch wird für die Gaskompression in der zweiten Kompressionsstufe weniger Antriebsleistung benötigt.

Vorzugsweise wird der Hubraumunterschied zwischen der ersten und der zweiten Kompressionsstufe dadurch realisiert, dass der Durchmesser des kreisrunden Kolbens und des kreisrunden Zylin- ders der ersten Kompressionsstufe größer als der Durchmesser des Zylinders und des Kolbens der zweiten Kompressionsstufe ist. Auf diese Weise kann ein einziger Hubkörper, der an seinen beiden Längsenden jeweils Kolben mit einem unterschiedlichen Querschnitt und damit Kolben mit unterschiedlichen Hubvolumina aufweist, realisiert werden.

Durch die Verringerung des Kolbendurchmessers der zweiten Kompressionsstufe wird das durch Kolbenstirnwand-Unebenheiten und den Spalt zwischen Kolben und Zylinder gebildete Totvolumen verringert und damit die Kompression der zweiten hochdruckseitigen Kompressionsstufe erheblich verbessert. Der Bereich zwischen den beiden Kolben ist ein Übergangsbereich, der nicht der Längsführung des Hubkörpers. dient, und in dem eine radiale Stufe mit einer radialen Stufenhöhe von ungefähr der halben Differenz der Durchmesser der beiden Kolben vorgesehen ist.

Gegenüber herkömmlichen Kolbenpumpen mit einem einzigen Hubkörper und zwei Kolben gleichen Durchmessers ist der Kolben der zweiten Kompressionsstufe verkleinert. Zwar ist der Hubraum in der zweiten Kompressionsstufe verkleinert, jedoch wird die Abdichtung des Kolbens gegenüber dem Zylinder erheblich verbessert, da mit Verkleinerung des Kolbendurchmessers auch der Umfang des Spaltes zwischen dem Kolben und dem Zylinder verkleinert wird. Hierdurch werden auch die insbesondere bei trocken laufenden Kolbenpumpen Rückströmverluste erheblich verringert.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Gas-Verbindungs- leitung zwischen der ersten Kompressionsstufe und der zweiten Kompressionsstufe ausschließlich in dem Hubkörper angeordnet.

Hierdurch wird für die Verbindungsleitung zwischen den beiden Kompressionsstufen der kürzestmögliche Weg realisiert.

Vorzugsweise ist die Verbindungsleitung zwischen einem Auslassventil der ersten Kompressionsstufe und einem Einlassventil der zweiten Kompressionsstufe angeordnet, wobei das Auslassventil und das Einlassventil an der jeweiligen Kolben-Stirnwand angeordnet sind. Das Gas aus der ersten Kompressionsstufe gelangt also auf kürzestem Weg durch das Auslassventil in der Kolben-Stirnwand in die Verbindungsleitung in dem Hubkörper und von dort aus durch das Einlassventil an der Kolben-Stirnwand des gegenüberliegenden Kolbens in den Kompressionsraum der zweiten Kompressionsstufe.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Hubkörper im Verlauf der Verbindungsleitung einen Gas-Zwischenspeicher auf, dessen Volumen größer als der Hubraum der zweiten Kompressionsstufe ist. Durch das Vorsehen des Gas- Zwischenspeichers wird der auf das Auslassventil der ersten Kompressionsstufe und der auf das Einlassventil der zweiten Kompressionsstufe wirkende Druck während des gesamten Arbeitszyklus des Hubkörpers konstanter gehalten, als dies bei einer kleinvolumigen Verbindung zwischen den beiden Kompressionsstufen der Fall wäre. Hierdurch wird das Saugvermögen der Kolbenpumpe verbessert und lässt sich ein niedrigerer Druck an der Saugseite der Kolbenpumpe reali- sieren. Ferner kann hierdurch während des gesamten Saughubes der zweiten Kompressionsstufe ein starker Unterdruck in dem Kompressionsraum der zweiten Stufe vermieden werden. Hierdurch wiederum wird die erforderliche Antriebsleistung für den Saug- hub erheblich reduziert.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Gaseinlass der ersten Kompressionsstufe durch ein Einlassventil in der Kolben-Stirnwand gebildet. Das Einlassventil ist als Rückschlagventil ausgebildet. Durch das Einlassventil kann bereits während des beginnenden Saughubes des Kolbens der ersten Kompressionsstufe Gas durch einen Kolbenpumpen-Einlass in den Kompressionsraum strömen. Das Gas strömt über korrespondierende Öffnungen in der Zylinder-und in der Kolbenwand durch einen abgeschlossenen Zylinderinnenraum und schließlich durch das Einlassventil in der Kolben-Stirnwand der ersten Kompressionsstufe schon während des Beginns des Saughubes des Kolbens der ersten Kompressionsstufe in den Kompressionsraum ein. Hierdurch wird in der ersten Hälfte des Saughubes ein hoher Unterdruck in dem Kompressionsraum vermieden, so dass für den Saughub weniger Antriebsleistung erforderlich ist.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kolben-Vakuumpumpe mit einem herkömmlichen Kolbenpumpen-Gaseinlass, und Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolben-Vakuumpumpe, bei der ein Gaseinlass für die erste Kompressionsstufe in der Kolben-Stirnwand vor- gesehen ist.

In den Figuren 1 und 2 ist jeweils ein Ausführungsbeispiel einer Vakuum-Kolbenpumpe 10,110 dargestellt, die jeweils eine erste Kompressionsstufe 11 und eine in Reihe dahinter angeord- nete zweite Kompressionsstufe 12 aufweist. Die Kolbenpumpen 10,110 weisen jeweils einen einzigen Hubkörper 14,114 auf, der an seinen beiden Längsenden jeweils einen Kolben 16,116, 18 aufweist. Die Kolben 16,116, 18 und die Zylinder 20,22 sind im Querschnitt jeweils kreisrund ausgebildet. Jeder Kolben 16,116, 18 oszilliert jeweils in einem Zylinder 20,22. Die Kol- ben 16,116, 18 bilden zusammen mit den ihnen zugeordneten Zylindern 20,22 jeweils die erste bzw. zweite Kompressionsstufe 11,12. Der Hubkörper 14,114 oszilliert in Längsrichtung, wodurch auch die Kolben 16,116, 18 jeweils in Längsrichtung in den zugeordneten Zylindern 20, 22 oszillieren.

Der Hubkörper 14,114 wird berührungslos durch einen elektromagnetischen Linearantrieb angetrieben, der nicht dargestellt ist. Die Kolbenpumpen 10,110 werden trocken, d. h. ohne Schmiermittel betrieben. Um dies zu ermöglichen, sind für die Gleitflächen der Kolben 16,116, 18 und der Zylinder 20, 22 entsprechende Werkstoffe gewählt.

Von dem Kolben 16,116, 18 und dem zugeordneten Zylinder 20,22 wird jeweils ein Kompressionsraum 24,26 verschieden großer Vo- lumina gebildet. Der Kompressionsraum 24 der ersten nieder- druckseitigen Kompressionsstufe 11 ist größer als der Kompres- sionsraum 26 der zweiten hochdruckseitigen Kompressionsstufe 12. Der Kolben-und Zylinderdurchmesser der ersten Kompres- sionsstufe 11 beträgt ungefähr 40 mm, während der Durchmesser des. Kolbens 18 und des Zylinders 22 der zweiten Kompressions- stufe 12 ungefähr 18 mm beträgt. Während die beiden Kolben 16,116, 18 jeweils in den zugeordneten Zylindern 20,22 geführt sind, ist der mittlere Bereich des Hubkörpers 14 ungeführt in einem entsprechend erweiterten Hohlraum 23 angeordnet.

Das aus einem nicht dargestellten Rezipienten abzupumpende Gas gelangt über einen Kolbenpumpen-Gaseinlass 28 und über ein Zy- linderwand-Einlassventil 30 direkt in den Kompressionsraum 24 der ersten Kompressionsstufe 11, wenn der Kolben 16,116 in seiner Saug-Endlage bzw. seiner Kompressions-Anfangslage steht und das Zylinderwand-Einlassventil 30 freigibt. Das Zylinderwand-Einlassventil 30 ist als umlaufende ringförmige schmale Nut in der Zylinderwand ausgebildet.

Das in dem Kompressionsraum 24 der ersten Kompressionsstufe 11 komprimierte Gas gelangt durch ein Auslassventil 32 in einen Innenraum in dem Hubkörper 14, der sich annähernd über die ge- samte Länge des'Hubkörpers 14 erstreckt. Der Innenraum ist nicht als kleinvolumige Leitung, sondern als großvolumiger Gas-Zwischenspeicher 34 ausgebildet, der jedoch auch die Verbindungsleitung zwischen der ersten Kompressionsstufe 11 und der zweiten Kompressionsstufe 12 bildet. Das Volumen des Gas-Zwischenspeichers 34, 34', 35 ist größer als der Kompressionsraum 26 der zweiten Kompressionsstufe 12.

Das druckgesteuerte Auslassventil 32,132 der ersten Kompressionsstufe 11 wird gebildet von Öffnungen 40,140 in der Stirnwand 42,142, von einer innenseitig auf die Stirnwand 42,142 vorgespannten steifen Ventil-Druckplatte 44,144, einer Druckfeder 46,146 sowie einem Öffnungsstift 48,148. Sobald der Kolben 16 der ersten Kompressionsstufe 11 seine Kompressionsendlage erreicht, schlägt der Öffnungsstift 48,148 an die Zylinder-Stirnwand 50 an, wodurch das Auslassventil 32,132 geöffnet wird und das komprimierte Gas aus dem Kompressionsraum 24 in den Gas-Zwischenspeicher 34, 34', 35 in dem Hubkörper 14,114 strömt. Durch die Zwangsöffnung ist auch ein Öffnen im Enddruckbetrieb sichergestellt. Das Auslassventil der ersten Kompressionsstufe 11 kann auch zwangsgesteuert sein.

In einer Stirnwand 52 des Kolbens 18 der zweiten Kompressions- stufe 12 ist ein Einlassventil 54 angeordnet, durch das das Gas aus dem Gas-Zwischenspeicher 34, 34', 35 in den Kompressionsraum 26 der zweiten Kompressionsstufe 12 strömen kann. Das Einlassventil 54 ist als druckgesteuertes Federzungenventil ausgebildet und öffnet bzw. bleibt geöffnet, solange der Druck in dem Gas-Zwischenspeicher geringfügig oberhalb des Druckes in dem Kompressionsraum 26 der zweiten Kompressionsstufe 12 liegt. Dies ist insbesondere während des Saughubes des Kolbens 18 der zweiten Kompressionsstufe 12 der Fall. Das Einlassventil kann aber auch als trägheitsge- steuertes Ventillappen-Ventil ausgebildet sein.

Die Stirnwand des Zylinders 22 bzw. des Kompressionsraumes 26 der zweiten Kompressionsstufe 12 wird von einer Ventilplatte 60 eines Auslassventils 62 gebildet, die durch eine Druckfeder 64 in Schließposition vorgespannt ist. Das Auslassventil 62 ist als Rückschlagventil ausgebildet und öffnet, sobald der Druck in dem Kompressionsraum 26 der zweiten Kompressionsstufe 12 geringfügig oberhalb Atmosphärendruck liegt, der an der Rückseite der Ventilplatte 60 anliegt. Das Gas strömt durch das geöffnete Auslassventil 62 schließlich durch einen seitlichen Kolbenpumpen-Gasauslass 80 ungefähr mit Atmosphären-Druck aus der Kolbenpumpe aus.

Die Vakuum-Kolbenpumpe 110 der Figur 2 weist neben dem Einlassventil 30 noch ein zusätzliches Einlassventil 70 auf, das bereits während der Anfangsphase des Saughubes des betreffenden Kolbens 116 der ersten Kompressionsstufe 11 öffnet und Gas aus dem Gaseinlass 28 in den Kompressionsraum 24 strömen lässt. Hierzu ist in der Zylinder-Seitenwand eine sich in Längsrichtung erstreckende Umfangsnut 72 vorgesehen, der entsprechende Öffnungen 74 in der Kolben-Seitenwand gegenüberstehen, durch die Gas aus dem Gaseinlass 28 in einen separaten Einlassraum 76 des Kolbens 116 strömen kann. Das zusätzliche Einlassventil 70 ist als Rückschlagventil ausgebildet und wird von einer elastischen Ventilplatte 78 gebildet. Das zusätzliche Einlassventil 70 öffnet während des Saughubes, sobald der Gasdruck in dem Kompressionsraum 24 geringfügig unterhalb des Gasdruckes in dem Einlassraum 76 liegt. Das Öffnen des Einlassventils 70 wird durch die Druckdifferenz ausgelöst, kann aber auch in einer anderen Ausführung durch Trägheitskräfte ausgelöst werden. Hierdurch wird während des Saughubes der ersten Kompressionsstufe ein extremer Unterdruck in dem Kompressionsraum 24 vermieden, so dass die für den Saughub erforderliche Antriebsleistung relativ klein ist.

Der Ansaugdruck an dem Kolbenpumpen-Gaseinlass 28 liegt im so- genannten Enddruckbetrieb, d. h. bei Erreichen der Zieldrücke, bei unter 10 mbar. Der Druck in dem Gas-Zwischenspeicher 34,34', 35 liegt im Enddruckbetrieb zwischen 10 und 100 mbar.

Der Druck in dem Kompressionsraum 26 der zweiten Kompressions- stufe 12 und in dem Kolbenpumpen-Gasauslass 80 liegt ungefähr 30 mbar oberhalb des Atmosphärendruckes.

Durch die Verkleinerung des Kompressionsraumes 26 in der zwei- ten Kompressionsstufe 12 gegenüber dem Kompressionsraum 24 der ersten Kompressionsstufe 11 wird eine Überkompression in der zweiten Kompressionsstufe 12 vermieden. Hierdurch wird die er- forderliche Antriebsenergie erheblich reduziert. Durch die Verkleinerung des Durchmessers bzw. Umfanges des Kolbens 18 und des Zylinders 22 der zweiten Kompressionsstufe 12 wird ferner die Querschnittsfläche des Leckspaltes zwischen dem Kolben 18 und dem Zylinder 22 erheblich verringert. Hierdurch wird die Pumpwirkung der zweiten Kompressionsstufe verbessert.