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Molekularpumpe
Die Erfindung betrifft Pumpen zur Her- stellung hoher Vakua, die zwischen dem Re- zipienten und einem Vorvakuum arbeiten und unter dem Namen Molekularpumpen in ver- schiedenen Ausführungsformen bekannt sind.
Die bekannten Pumpen dieser Art zeigen ein geschlossenes Gehäuse, einen hierin mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Körper und einen im Gehäuse von der Saug- zur Druckseite führenden Kanal, der einseitig vom rotierenden Körper begrenzt ist. Die bekannte Arbeitsweise dieser Pumpen beruht darauf, dass dem Gas, bzw. den Gasmolekülen, durch äussere Reibung am rotierenden Körper ein Bewegungsimpuls in Richtung zum Vorvakuum hin erteilt wird.
Die einfachste Form einer Molekularpumpe zeigt ein, üblicherweise feststehendes, zylindrisches Gehäuse mit einer nach innen offenen Ringnut, die an einer Stelle durch eine Wand geteilt ist und einen rotierenden scheibenförmigen, zylindrischen Körper, der die innere offene Seite der Ringnut begrenzt. Von der Ringnut führt kurz vor und hinter der Trennwand je eine Leitung zur Saug- bzw. zur Druckseite der Pumpe. Eine solche Pumpe bildet eine einzige Druckstufe, die Stellen höchsten und niedrigsten Druckes im Kanal sind durch die Wand im Ringkanal getrennt. Saug- und Druckseite der Pumpe sind durch den Luftspalt zwischen dem äusseren Umfang der Scheibe und dem inneren der Ringnut verbunden. Durch diesen Spalt können Gasmoleküle gelangen, die das mit einer Stufe erreichbare Druckverhältnis und die Sauggeschwindigkeit bei diesen Pumpen begrenzen.
Es ist aus diesem Grunde üblich den Spalt so klein wie möglich zu halten und mehrere Druckstufen vorzusehen, um die Druckdifferenz im Spalt zwischen jeder Stufe zu verkleinern und damit die Sauggeschwindigkeit und das Druckverhältnis dieser Pumpen zu erhöhen. Bekannt sind Pumpen mit einem schraubenförmigen, d. h. mehrere Windungen aufweisenden Kanal im rotierenden Körper oder im feststehenden Gehäuse oder mit solchen Kanälen in beiden, wobei der rotierende Körper und das ihn einschliessende Gehäuse entweder zylinder- oder kegelförmig ausgebildet sind. Allen diesen Pumpen ist gemeinsam, dass Saug- und Druckseite der Pumpe durch einen Kanal verbunden sind, dessen Längsachse mit der Bewegungsrichtung des rotierenden
Körpers praktisch zusammenfällt, d. h. die Länge des Kanals nimmt für jede Druckstufe um den Umfang des rotierenden Körpers zu.
Bei dieser Bauweise wächst die Baulänge der Pumpe mit der Breite des Kanals und mit der Zahl der Stufen. Je länger die Pumpe wird, um so grösser muss aus mechanischen Gründen der Luftspalt werden. Da mit grösser werdendem Luftspalt das erreichbare Druckverhältnis schnell sinkt, so wird bereits bei einer geringen Stufenzahl der Zustand erreicht, dass eine Erhöhung der Sauggeschwindigkeit und des Druckverhältnisses durch Erhöhung der Stufenzahl nicht mehr erreichbar ist.
Es sind weiter Molekularpumpen mit feststehenden und rotierenden scheibenförmigen Körpern bekannt, bei denen entweder die feststehenden oder die rotierenden oder beide spiralförmig eingeschnittene Nuten aufweisen.
Pumpen dieser Art gleichen in ihrem Aufbau Zentrifugalpumpen, aber die Zentrifugalwirkung ist im molekularen Gebiet bedeutungslos.
Diese Pumpen können in gleicher Weise radial von innen nach aussen wie von aussen nach innen fördern. Diese Pumpen können je nach Wahl des Steigungswinkels der Spirale, d. h. der Mittelachse des Kanales mit einer oder mehreren Pumpstufen in einer Scheibe ausgebildet werden. Wird der Winkel gross gewählt, so erhält man eine grosse Zahl von Kanälen, die Saug- und Druckseite miteinander verbinden, aber die in einer Stufe erreichbare Druckerhöhung wird sehr gering, einmal, weil die Umfangsgeschwindigkeit mit kleiner werdendem Durchmesser abnimmt, zum anderen, weil die Bewegungskomponente der Umfangsgeschwindigkeit in Richtung des Kanales klein wird. Diese Pumpen haben aus diesem Grunde praktisch keine Anwendung gefunden.
Wählt man die Steigung klein, so dass der Kanal mehrfach um die Achse herumgeführt wird, so wird die Bewegungskomponente der Umfangsgeschwindigkeit in Richtung des Kanals gross, aber auch hier bleibt der Nachteil der mit kleiner werdendem Durchmesser abnehmenden Umfangsgeschwindigkeit, und im übrigen gilt für diese Pumpen das gleiche wie für Pumpen mit zylindrischen Rotor, nämlich dass die einzelnen Druckstufen nur durch einen Kanal getrennt
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einen Stutzen 5, der mit der zum Vorvakuum führenden Druckleitung verbunden ist.
In den Scheiben 2 und 3 ist die Welle 6 des rotierenden Teiles der Pumpe gelagert. Der
Wellenzapfen 7 durchsetzt die Scheibe 3 und ist entweder mit dem antreibenden Motor un- mittelbar gekuppelt oder trägt ein geeignetes
Antriebselement. Eine Dichtung 8 verhindert das
Eindringen von Gasen in die Pumpe.
Die Welle 6 trägt mehrere Scheiben 9, im
Ausführungsbeispiel acht Scheiben, die mit der Welle drehfest verbunden sind. Diese Scheiben liegen mit geringem Spiel zwischen den mit 10 bezeichneten Scheiben, die fest im Mantel 1 des Gehäuses sitzen und in ihrer Mitte eine Bohrung für den Durchtritt der Welle 6 haben.
Die feststehenden Scheiben 10 sind im Pumpen- gehäuse so angeordnet, dass in der Mitte der Pumpe ein Saugraum 11 und an den Enden je ein Druckraum 12 gebildet werden.
Die Scheiben 9 haben, wie Fig. 3 zeigt, am äusseren Umfang mit 13 bezeichnete Ausschnitte oder Nuten. Die einzelnen Nuten sind durch die zahnartigen Teile 14 voneinander getrennt.
Ähnliche Nuten 15 weisen die am Gehäuse befestigten Scheiben 10 an ihrem äusseren Umfang auf. Die sie trennenden Zähne sind mit 16 bezeichnet (Fig. 2).
Wie Fig. 2 zeigt, haben die Nuten 13 und 15 der Scheiben 9 und 10 seitliche Begrenzungsflächen 17 bzw. 18, die zur Rotationsachse der Welle 6 um einen Winkel geneigt sind. Für die Begrenzungsflächen 18 der Nuten 15 ist dieser Winkel in Fig. 2 mit a bezeichnet. Die Flächen 18 schliessen mit den Stirnflächen 19 der Zähne 14 der benachbarten Scheibe 9 sich in der Bewegungsrichtung (Pfeil 20) verengende, keilförmige Räume 21 ein. Bei der Rotation der Scheiben 9, die mit hoher Geschwindigkeit erfolgt, entsteht in den Kanälen 15 ein Druck, der nach der Spitze des keilförmigen Raumes 21 hin wächst, bedingt durch die Stirnflächen der Zähne 14 nach dem für Molekularpumpen gültigen Prinzip.
Dieser Druckanstieg hat eine Bewegung der Moleküle in die Nuten 13 der Scheiben 9 zur Folge, sobald diese Nuten sich mit den Nuten 15 decken, bzw. zu decken beginnen. Die Begrenzungsflächen 17 der Nuten 13 in den Scheiben 9 sind um einen Winkel ss zur Rotationsachse der Welle 6 geneigt, aber entgegengesetzt zur Neigung der Flächen 18.
Auch die Flächen 17 bilden mit den Stirnflächen 22 der Zähne 16 sich in der Bewegungsrichtung verengende, keilförmige Räume 23.
Auch in diesen Räumen und damit in den Kanälen 13 entsteht ein nach der Spitze hin zunehmender Druck, der zu einer Bewegung der Moleküle durch die in der Bewegungsrichtung folgenden Nuten 15 Anlass gibt. In diesen Nuten wiederholt sich dann der gleiche Vorgang, d. h. jede Scheibe 9 oder 10 bildet eine Druckstufe, wobei zu zwei Druckstufen mindestens drei Scheiben gehören.
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Die Höhe der Scheiben 9 und 10 in axialer Richtung wird so gering gehalten, wie dies aus mechanischen Gründen zulässig ist. Die Höhe des Druckes wird durch die Grösse der Winkel a und ss bestimmt. Je grösser die Winkel a und ss sind, um so höher wird der Druck, dagegen nimmt die Sauggeschwindigkeit mit grösser werdenden Winkeln a und ss ab. Je nachdem, ob eine grosse Sauggeschwindigkeit oder ein hoher Druck je Stufe erwünscht ist, wird die Grösse der Winkel gewählt. So ist es beispielsweise vorteilhaft, die Winkel a und ss der seitlichen Begrenzungsflächen der Nuten der der Druckseite der Pumpe benachbarten Scheiben grösser zu machen als die der Saugseite benachbarten, da der absolute Wert der Druckdifferenz zwischen den Druckstufen nach der Druckseite hin zunimmt.
Die Breite der Nuten, in der Umfangsrichtung gemessen, d. h. der Abstand der Begrenzungsfläche 17 von der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche der Nut senkrecht zur Rotationsachse gemessen, ergibt sich aus der Erwägung, dass eine durch die Nut gelegte achsparallele Linie mindestens eine Begrenzungsfläche schneiden oder, wie in Fig. 2 gezeigt, die untere und die obere Kante beider Flächen berühren soll. Bei dieser Breite der Nut ist verhindert, dass Moleküle die Nuten 15 oder 13 in gerader Richtung durchfliegen können. Das Verhältnis der Nutbreiten zu den Zahnbreiten einer Scheibe wird vorzugsweise = 1 oder etwas kleiner als 1 gemacht, da die Zahnbreiten wesentlich für die Erzeugung des Druckgefälles einer Stufe sind.
Wie die Fig. 3 erkennen lässt, sind Saug- und Druckseite der Pumpe durch eine grössere Zahl von Kanälen, im Ausführungsbeispiel zwölf Kanäle, verbunden, die sich miteinander abwechselnd aus Nuten der feststehenden und rotierenden Scheiben zusammensetzen. Da die axiale Höhe der Nuten gering ist, so kann auf einer geringen axialen Länge eine hohe Stufenzahl untergebracht und damit das Druckverhältnis in jeder Stufe klein gehalten werden. Die Rückströmverluste werden sehr gering, so dass die Sauggeschwindigkeit und auch das Druckverhältnis zwischen Rezipient und Vorvakuum hochgehalten werden kann. Auch in den Spalten zwischen den feststehenden und rotierenden Flächen wirken diese der Rückströmung der Gasmoleküle entgegen, so dass die Spaltverluste auch bei grossem Spalt sehr gering werden.
Es ist nicht erforderlich, die seitlichen Begrenzungsflächen der Nuten beider zusammenwirkenden Scheiben geneigt zur Achse zu stellen. Wie Fig. 4 zeigt, können die Begrenzungswände 24 einer Scheibe 25 achsparallel sein, wenn die Wände 26 der anderen Scheibe 27 zur Achse geneigt sind. In diesem Falle wirkt nur die Scheibe mit den geneigten Wänden als Druckstufe.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Aus einem geschlossenen Gehäuse und einem rotierenden Körper bestehende Molekularpumpe mit mindestens einem von der Saugzur Druckseite der Pumpe führenden nutartigen Kanal, der an einer Seite von einer Fläche des rotierenden Körpers begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammenwirkenden Teile des rotierenden Körpers und des Gehäuses aus Scheiben mit durchgehenden nutartigen Ausschnitten bestehen, dass die Scheiben beider Teile in Richtung der Achse des rotierenden Körpers miteinander abwechseln, und dass zumindest die Nuten der Scheiben des einen Teiles seitliche, zur Achse des rotierenden Körpers geneigte Begrenzungsflächen haben, die mit der Stirnfläche der Scheiben des anderen Teiles einen in der Bewegungsrichtung des rotierenden Körpers sich verengenden keilförmigen Raum bilden.