(57)【要約】本発明は、多段式のピストン真空ポンプ（１）であって、流入部（７１）及び流出部（７０）、少なくとも１つのピストン対（２，３）並びに、ピストンの端面に対応して配置された複数の圧縮段を備えており、各圧縮段がそれぞれ、ピストン区分（４乃至７）、シリンダー区分（１６乃至１９）、汲み出し室（１１乃至１４）並びに、入口弁（４１乃至４４）及び出口弁（５４乃至５７）を備えている形式のものに関し、電力消費を減少させるために本発明では、入口弁の入口開口を形成する半径方向スリットの高さを増大し、圧力側の２つのポンプ段を並列的に作動させ、若しくは最後のポンプ段のピストン区分の直径を最後から二番目のポンプ段のピストン区分の直径に比べて小さく選んである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段式のピストン真空ポンプ（１）であって、流入部（７１）及び流出部（７０）、少なくとも１つのピストン対（２，３）並びに、ピストンの端面に対応して配置された複数の圧縮段を備えており、各圧縮段がそれぞれ、ピストン区分（４乃至７）、シリンダー区分（１６乃至１９）、汲み出し室（１１乃至１４）並びに、入口弁（４１乃至４４）及び出口弁（５４乃至５７）を備えている形式のものにおいて、入口弁の入口開口がシリンダー区分の壁内の半径方向スリットとして形成されており、該半径方向スリットの高さがピストン行程の１０乃至２０％、有利には２０％であることを特徴とする、多段式のピストン真空ポンプ。
【請求項２】
多段式のピストン真空ポンプ（１）であって、流入部（７１）及び流出部（７０）、少なくとも１つのピストン対（２，３）並びに、ピストンの端面に対応して配置された複数の圧縮段を備えている形式のものにおいて、多段式のピストン真空ポンプ（１）の圧力側のポンプ段の構成部分が、並列的に作動可能な２つの圧縮段であり、該圧縮段が１つのポンプ（３）のピストン区分（６，７）の両方の端面に対応して配置されていることを特徴とする、多段式のピストン真空ポンプ。
【請求項３】
１つのピストン対（２，３）及び４つのピストン段を有しており、第１のピストン（２）の両方の圧縮段が、低圧側の互いに直列接続された２つのポンプ段を形成しており、第２のピストン（３）の両方の圧縮段が互いに並列に接続されていて、圧力側の１つのポンプ段を形成している請求項２記載のピストン真空ポンプ。
【請求項４】
圧力側のピストン（３）のピストン区分（６，７）が、吸い込み側のピストン（２）のピストン区分（４，５）よりも小さい直径を有している請求項２又は３記載のピストン真空ポンプ。
【請求項５】
ポンプ（１）の流入部（７１）が管路（８１）によって逆止弁（８２）を介して、圧力側のポンプ段の互いに並列接続された圧縮段の入口室（５１，５２）に接続されており、前記逆止弁が流入部（７１）内の圧力よりも入口室（５１，５２）内の圧力の低い場合に開くようになっている請求項２から４のいずれか１項記載のピストン真空ポンプ。
【請求項６】
管路内の逆止弁がほぼ１００ミリバールの圧力差で開くようになっている請求項５記載のピストン真空ポンプ。
【請求項７】
多段式のピストン真空ポンプ（１）であって、流入部（７１）及び流出部（７０）、少なくとも１つのピストン対（２，３）並びに、ピストンの端面に対応して配置された複数の圧縮段を備えている形式のものにおいて、複数のピストン（２，３）の内の１つのピストンのピストン区分（６，７）が、直列接続された圧力側の２つのポンプ段の構成部分であり、圧力側の最後のポンプ段のポンプ区分（７）の直径が、圧力側の最後から二番目のポンプ段のピストン区分の直径よりも小さくなっていることを特徴とする、多段式のピストン真空ポンプ。
【請求項８】
直径比が、各ピストン区分（６，７）の端面と所属の汲み出し室（１３，１４）内に生じる平均的な圧力との積を両側でほぼ同じにするように選ばれている請求項７記載のピストン真空ポンプ。
【請求項９】
ピストン（２，３）に対応して配置された直動駆動部を備えており、該直動駆動部が互いに同じ大きさを有している請求項４又は８記載のピストン真空ポンプ。
【請求項１０】
直径の小さいピストン区分（６，７）によって形成された圧縮段が、直径の大きいピストン区分（４，５，６）によって形成された圧縮段に対して次のことによってにみ異なっており、即ち、前記直径の小さいピストン区分に所属するシリンダー区分（１８，１９）の壁厚さが大きく選ばれている請求項１記載のピストン真空ポンプ。
【請求項１１】
流入部（７１）の上流側にさらにポンプ段を接続してある請求項１から１０のいずれか１項記載のピストン真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の多段式のピストン真空ポンプに関する。
【０００２】
前記形式のピストン真空ポンプは、ＷＯ ００／６３５５６号パンフレットによって公知である。ピストン対の各ピストンに対応してそれぞれ直動駆動部が配置されている。ピストンの両方の端面の領域にそれぞれ圧縮段を配置してあり、圧縮段が汲み出し室並びに入口弁及び出口弁を備えている。入口弁が第１の死点の近傍でピストン自体によって開放制御される。ピストン運動の端部、即ち第２の死点でピストンが該ピストンの幾何学形状に基づき、端面に配置された出口弁を開く。圧力差が最後（圧力側）の圧縮段内で出口弁の開放のために用いられ、それというのは該箇所に十分に高い圧力差が生じるからである。
【０００３】
ピストンの直動駆動部が、ピストンの中央位置を中心としてピストンを振動させるように形成されている。ＷＯ ００／６３５５６号パンフレットに開示の直動駆動部においては、ピストンが中央の領域に永久磁石を保持している。永久磁石に対応して側方に固定子・永久磁石が配置されている。これに対して対称的に配置されて周期的に通電されるコイルが、ピストン運動に役立つ電磁力を生ぜしめる。
【０００４】
前記形式の多段式のピストン真空ポンプにおいては、該ポンプのピストンが有利には対を成して互いに逆向きに振動するようになっており、その結果、バイブレーションが避けられる。従ってピストンの数は２、若しくはその倍数である。ピストン当たり２つの圧縮段が設けられている。
【０００５】
一般的な多段式の真空ポンプにおいて、かつ特別なピストン真空ポンプにおいても、汲み出し室容積を吸い込み側から圧力側へ、それも吐出されるガスの体積が圧力の増大に相応して減少されるように、減少させて構成することは周知である。ＷＯ ９８／０００７７号パンフレットに開示のピストン真空ポンプにおいては、例として吸い込み側の４つの圧縮段が互いに並列に接続されて、第１のポンプ段を形成している。並列に接続された別の２つの圧縮段が、第２のポンプ段を形成している。最後の両方の圧縮段が互いに直列に接続されて、第３及び第４のポンプ段を形成している。
【０００６】
ピストンを直動駆動部によって振動させる前記形式のピストン真空ポンプの実験によって、所望の出力データーを達成できないことが明らかになった。このような実験結果の原因として、次のことが認められる：
ピストンの中央位置を中心とした振動が次のことによって損なわれ、即ち、１つのピストンの圧縮段の端面側に配置された両方の汲み出し室内に、互いに異なる圧力が作用する。このことは、特に圧力側に配置されたピストンに当てはまり、該ピストンの圧縮段は真空技術的に一般的な構成形式に従って、互いに直列に配置された２つのポンプ段を形成している。その結果、端面側の圧縮段内の異なる圧力に基づき、ピストンがピストンの中央位置を中心として非対称的に振動することになる。非対称的なピストン運動の結果として、入口弁及び／又は出口弁が完全には開かれなくなる。ピストンの行程が全体として負荷に依存しており、即ち、いくつかの弁が圧力差の増大に伴って弁の開放断面をもはや完全には開かなくなり、若しくは相対する圧縮段内の圧力差の十分に高い場合にはもはや全く開放しなくなる。
【０００７】
少なくとも圧力側のピストンに強い直動駆動部を備えることが考えられる。しかしながらこのような処置は、冒頭に述べた多段式のピストン真空ポンプを著しく高価なものにし、それというのは１つのポンプの駆動部のために互いに異なる構成部分（マグネット、コイル、ヨークなど）を用いなければならないからである。さらに駆動部の増強は、消費電力を最小にするという目的に反するものである。
【０００８】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式のピストン真空ポンプを改善して、負荷に依存した欠点を十分に排除するにもかかわらず、コストの増大及び／又は駆動部の電力消費増大を生ぜしめないようにすることである。
【０００９】
前記課題が本発明に基づき特許請求の範囲の特徴部分に記載の構成によって解決される。
【００１０】
前記課題の第１の解決手段として本発明では、最後のポンプ段の少なくとも１つの入口弁が、高い負荷若しくは高い圧力差に基づき振幅の減少されたピストン運動に際しても開くように構成されている。このような条件は、入口弁によって半径方向スリットとしてピストン壁内に形成された入口開口を軸線方向で比較的に大きくしてある場合に満たされる。この場合に軸線方向の高さがピストン行程の１０乃至２０％、有利には２０％である。これによってピストンが、高い負荷に起因して減少させられた運動振幅に際にも入口開口を確実に十分に広く開く。出口弁がまず、生ぜしめられた高い圧力差に基づき開く。負荷若しくは圧力差が減少すると、ピストンが再び完全な行程運動を行うようになる。入口断面の開放量が増大される。ピストン自体が出口弁を開く。
【００１１】
前記課題の第２の解決手段として本発明では、圧力側のポンプの両方の圧縮段が互いに並列に接続されていて、圧力側の最後のポンプ段を形成している。該ピストンの端面が運転時に互いにほぼ同じ圧力を受ける。中央位置を中心としたピストンの一様な振動が保証される。両方の出口弁及び入口弁が完全に開かれる。両方の圧縮段の出力データーが、ピストンの不均一な振動による減少を受けない。該解決手段は、多段式の真空ポンプの通常の作動構成原理から離れるものである。即ち、互いに並列に接続された２つの圧縮段から成る最後のポンプ段が、全体として上位のポンプ段の汲み出し室よりも大きな容積を有している。このような欠点はしかしながら、最後のポンプ段のピストンの一様な振動を保証するという利点によって十分に甘受されるものである。
【００１２】
第３の解決手段として本発明では、少なくとも圧力側のピストンのポンプ作用のある区分が異なる直径を有している。これによって、直径の小さいピストン区分の圧縮室の汲み出し室容積が、直径の大きいピストン区分の圧縮室の汲み出し室容積よりも小さくなっている。このような実施態様では、ピストンの運動が、小さい汲み出し室内に大きい汲み出し室内よりも高い圧力を発生させるようになる時点でピストンの中央位置を中心としてほぼ一様に行われる。圧力側の汲み出し室を、真空技術で通常一般的であるように互いに直列に配置することも可能である。この場合には一様なピストン運動が、ピストンの端面と該ピストンに所属の汲み出し室内に生じる平均的な圧力との積を両側でほぼ同じにすることに基づきほとんど損なわれない。
【００１３】
本発明を、図１乃至図４に概略的に示す実施例に基づき詳細に説明する。
【００１４】
図面に示すピストン真空ポンプ１は、ピストン対（ピストン２，３）によって形成されている。各ピストンが複数のピストン区分４，５；６，７を有しており、ピストン区分の自由な端面に対応して、円筒形の汲み出し室（吸引室）１１乃至１４を設けてある。ピストン２，３及び汲み出し室１１乃至１４が、ケーシング１５内に配置されており、ケーシングが各ピストン区分４，５；６，７のためのシリンダー区分１６乃至１９を有している。シリンダー摺動面及び該シリンダー摺動面に対応するピストン表面の材料が周知のように、即ちポンプを乾式に、つまり潤滑剤なしに作動できるように選ばれている。
【００１５】
各ピストン２，３にそれぞれ直動駆動部を配置してある。直動駆動部がピストン側に永久磁石リング２１，２２を有しており、永久磁石リングがピストン２，３の中央の領域でピストン２，３を取り巻いている。永久磁石リング２１，２２が、それぞれピストンを取り巻く環状室２３，２４内を運動するようになっている。ピストン側の両方の各永久磁石リング２１，２２に対応して、固定子側に別の永久磁石リング２６乃至２９を配置してあり、該永久磁石リングが環状室２３，２４の軸線方向の制限部を形成している。直動駆動部の固定子側の構成部分がさらにコイル３１乃至３４、並びに該コイルを取り囲むヨーク部分３５乃至３８である。コイル３１乃至３４が通電され、該コイルによって形成されてヨーク部分３５乃至３８から導かれる磁場が、永久磁石リング２１，２２，２６，２７の磁場と一緒の交互作用を生ぜしめるようになっている。ピストン２，３が中央位置を中心として振動し、その結果、ピストン端面が該運動中にポンプ機能を生ぜしめる。
【００１６】
所望のポンプ作用（ポンプ機能）を生ぜしめるために、各圧縮室１１乃至１４がそれぞれ入口弁及び出口弁を備えている。各入口弁４１乃至４４に対応してそれぞれ入口開口４５乃至４８を設けてあり、該入口開口がそれぞれ外側の入口室４９乃至５２と汲み出し室１１乃至１４との間に配置されている。入口開口４５乃至４８が、シリンダー壁内の半径方向に延びるスリット状の貫通部として形成されている。ポンプ区分４乃至７が、各ポンプ区分自体の死点位置（それぞれシリンダー内に引っ込められた位置）を占めた場合に入口開口を開放する。
【００１７】
出口弁５４乃至５７がそれぞれ端面側に配置されている。出口弁の閉鎖エレメントが、圧縮室を出口室（５８乃至６１）に対して遮断していて、それぞれのポンプ区分４乃至７によって、圧力差の高い場合には形成された圧力によって、開かれるようになっている。閉鎖エレメントが、シリンダー区分の横断面全体にわたって延びるフレキシブルなプレート（シール）６２乃至６５として形成されており、プレートが中央でケーシング２に固定されていて、周囲でピストンの圧力によって若しくはピストンの端面によって作動される。ピストン端面が凹面として形成されている。シリンダー壁の端面が弁座を形成している。弁５４乃至５７から流出したガスが、まず出口室５８乃至６１に流入し、該出口室が出口６６乃至６９を備えている。出口弁は、例えばドイツ連邦共和国特許出願第１９６３４５１８号明細書に記載の構造で実施されてよい。
【００１８】
全体で４つの圧縮段を設けてあり、各圧縮段がそれぞれ１つのピストン区分４乃至７、１つの汲み出し室１１乃至１４、１つのシリンダー区分１６乃至１９、１つの入口弁４１乃至４４及び１つの出口弁５４乃至５７から成っている。
【００１９】
本発明に基づく多段式の真空ポンプの図１に示す実施例においては、ポンプの流入部を符号７１で示してある。該流入部が入口室４９，５０に通じている。所属の両方の圧縮段が互いに並列に接続されている。該圧縮段が所属の構成部分によって一緒に、吸い込み側に位置する第１のポンプ段を形成している。両方の出口室５８，５９の出口６６，６７が一緒に管路７２を介して入口室５１に接続されている。該入口室が、汲み出し室１３を備える圧縮段に所属しており、該圧縮段が第２のポンプ段を形成している。該圧縮段の出口６８が管路７３を介して入口室５２に通じており、該入口室が、圧縮室１４を備えた圧縮段の構成部分であり、圧力側に位置する第３のポンプ段を形成している。該ポンプ段の出口が符号６９で表してある。該出口は多段式のポンプ１の流出部７０を形成している。
【００２０】
後の両方のポンプ段の負荷に関連した欠点を減少させるために、入口弁４４に所属する入口開口４８が、軸線方向で比較的に大きく形成されている。シリンダー区分１９の半径方向スリット（入口開口）の高さが、ピストン行程のほぼ２０％であり、従ってポンプ区分７が、汲み出し室１３，１４内の圧力差に起因してピストン３の中心位置を基準とした非対称的な振動に際しても、入口開口４８を少なくとも部分的に開放できる。
【００２１】
図２に示す実施例においても、多段式の真空ポンプが、図１の実施例と同様に、同じく４つの圧縮段を有している。入口弁４４の入口開口４８が、残りの入口弁４１，４２，４３の入口開口と同じ寸法である。ポンプの流入部７１が、汲み出し室１１を備えた圧縮段の入口室４９に通じている。該圧縮段の出口室５８（出口６６）が管路５７を介して、汲み出し室１２から成る圧縮段の入口室５０に通じており、即ち、前記圧縮段が互いに直列に接続されている。出口６７が管路７６を介して圧力側のピストン３の両方の入口室５１，５２に通じている。該圧縮段の両方の出口室６０，６１が管路７７を介して一緒にポンプ１の流出部７０に通じている。
【００２２】
圧力側のピストン３の非対称的な振動は図２に示す実施例では生ぜず、それというのはピストン３の両方の側にほぼ同じ圧力が作用するからである。吸い込み側に配置されて直列した圧縮段を形成するピストン２においては、振動の非対称性は無視でき、それというのは該両方の圧縮段内に形成される圧力の差は小さいからである。
【００２３】
図２に示す実施例においては、ポンプ１の流入部７１が管路８１によって逆止弁８２を介して、圧力側の互いに並列的に配置された両方の圧力段の入口室５１，５２に接続されている。逆止弁８２の閉鎖方向が、ポンプ１の通常運転時には閉じているように選ばれている。該運転時にはポンプ１の流入部７１内の圧力が、圧力側のポンプ段の入口室５１，５２内の圧力よりも低くなっている。
【００２４】
しかしながら室の排気の開始に際して、逆の圧力状態（圧力比）が生じ、それというのは、互いに並列的に配置された圧縮段から成る圧力側のポンプ段の吸引力が、上位（上流）のポンプ段（直列に配置された圧縮段）の吸引力よりも高いからである。該段階では逆止弁８２が開いていて（有利にはほぼ１００ミリバールの圧力差で）、ポンプ１の流入部７１とポンプの圧力側のポンプ段との間の直接的な接続を生ぜしめている。該ポンプ段の高い吸引力によって、接続された室の急速な排気が圧力状態の転換の時点まで行われる。次いでポンプ１は三段式に機能して、接続された室を所望の最終圧力に排気する。
【００２５】
逆止弁は概略的に示してある。逆止弁の多くの実施例が、例えばドイツ連邦共和国特許第１９９１７００９Ａ１号明細書に開示してあるように可能である。
【００２６】
図３に示す実施例は図２の実施例にほぼ相当するものである。相違点がピストン３にある。互いに並列的に接続された２つの圧縮段から成る圧力側のポンプ段の構成部分であるピストン区分６，７の直径が、図２の実施例の対応するピストン区分の直径よりも小さくなっている（ほぼ３０％だけ）。従って該ポンプ段の吸引力は上位のポンプ段の吸引力に比べてもはや高くない。
【００２７】
図３に示す実施例において変化された構成部分の数を少なく保つために、壁厚さを相応に厚くされたシリンダー区分１８，１９が設けられている。残りのすべての構成部分（コイル、ヨーク、ピストン側及び固定子側の永久磁石、弁など）は、ピストン２の構成部分に比べて変化されておらず、従ってすべての駆動部が同じ大きさ及び同じ特性を有している。
【００２８】
図３には概略的に示してあるように、ポンプ１は吸い込み側にさらにポンプ段を備えていてよい。互いに並列の２つの圧縮段８４，８５から成るポンプ段８６が、流入部７１の上流側に接続されている。該圧縮段８４，８５は、同種のピストン段であってもよく、若しくは別のポンプ原理で作動するポンプ段であってもよい。ポンプ段８６の代わりに、若しくはポンプ段８６の上流側に、高圧真空ポンプ（例えばターボ分子ポンプ）が配置されていてよい。前述の装置が図１、図２並びに図４に示す実施例に使用されてよい。
【００２９】
図４に示す実施例では、吸い込み側のポンプ１の圧縮段が互いに並列に接続されている。ポンプ１の流入部７１が両方の入口室４９，５０に通じている。ピストン３の圧縮段が互いに直列に接続されている。中心位置を基準としたピストン３の非対称的な振動を避けるために、圧力側の圧縮段のピストン区分７がピストン区分６よりも小さな直径を有している。図３の実施例と同様に、ピストン区分７とシリンダー区分１９のみが、変化された寸法を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】
圧力側に拡大された入口開口を備える実施例の断面図。
【図２】
圧力側の両方の圧縮段を互いに並列に配置された実施例の断面図。
【図３】
圧力側の両方の圧縮段を互いに並列に配置された別の実施例の断面図。
【図４】
圧力側に位置するピストンのピストン機能のあるピストン区分の直径を互いに異なって形成した実施例の断面図。
【符号の説明】
１  ピストン真空ポンプ、    ２，３  ピストン、    ４乃至７  ピストン区分、    １１乃至１４  汲み出し室、    １６乃至１９  シリンダー区分、    ２１，２２  永久磁石リング、    ２３，２４  環状室、    ２６乃至２９  永久磁石リング、    ３１乃至３４  コイル、    ３５乃至３８  ヨーク部分、    ４１乃至４４  入口弁、    ４５乃至４８  入口開口、    ４９乃至５２  入口室、    ５４乃至５７  出口弁、    ５８乃至６１  出口室、    ６２乃至６５  プレート、    ６６乃至６９  出口、    ７０  流出部、    ７１  流入部、    ７２  管路、    ８１  管路、    ８２  逆止弁、    ８４，８５  圧縮段、    ８６  ポンプ段
【国際公開パンフレット】
2004527692.tif 000003
2004527692.tif 000004
2004527692.tif 000005
2004527692.tif 000006
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2004527692.tif 000022
2004527692.tif 000023
2004527692.tif 000024
【国際調査報告】
2004527692.tif 000025
2004527692.tif 000026
2004527692.tif 000027
2004527692.tif 000028