CH679237A5

CH679237A5 -

Info

Publication number: CH679237A5
Application number: CH2712/88A
Authority: CH
Inventors: Kurt Hoelss
Original assignee: Pfeiffer Vakuumtechnik
Priority date: 1987-08-24
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1992-01-15
Also published as: IT8821662A0; GB8819672D0; JP2636356B2; JPH01138397A; DE3728154A1; GB2208895A; GB2208895B; FR2619867A1; IT1226710B; FR2619867B1; DE3728154C2; US4893985A; NL8801990A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Molekularpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Eine Molekularpumpe ist eine mechanisch fördernde Pumpe, deren Arbeitsweise auf dem Prinzip der Impulsübertragung von sich bewegenden Wänden auf Moleküle beruht. Das Grundprinzip wurde von W. Gaede (Ann. d. Phys. (4) 41, 337 [1913]) beschrieben. Später wurden verschiedene Ausführungsformen konstruiert. Die vorliegende Erfindung baut auf der von Hollweck (Comptes rendus 177, 43 [1923]) vorgestellten und nach ihm benannten Pumpe auf. Bei dieser befindet sich innerhalb eines zylindrischen Gehäuses ein zylindrischer Rotor, wobei entweder die äussere Oberfläche des Rotors oder die innere Oberfläche des zylindrischen Gehäuses oder beide mit Spiralrillen zur Förderung und zur Führung des Gases versehen sind.

Zur Anwendung kommen solche Molekularpumpen nach der Bauart von Hollweck zum Beispiel in Verbindung mit Turbomolekularpumpen (W. Becker, Vakuumtechnik 9/10 [1966]). Deren wirksamer Arbeitsbereich ist auf das molekulare Strömungsgebiet beschränkt, das heisst, sie arbeiten nur zusammen mit einer Vorpumpe, die gegen Atmosphärendruck pumpt. In der Regel sind dies zweistufige Drehschieberpumpen.

Der Arbeitsbereich einer Molekularpumpe nach Hollweck reicht aufgrund der engen Spalte zwischen Rotor und Stator bis zu weit höheren Drücken als der einer Turbomolekularpumpe. Durch die Kombination dieser beiden Molekularpumpen kann der Aufwand zur Erzeugung des Vorvakuums wesentlich reduziert werden. Ein entscheidender Vorteil für den Einsatz bei bestimmten Prozessen, wie z.B. beim Plasma-Ätzen ist es, wenn die ölge-dichtete Drehschieberpumpe durch eine trocken arbeitende Pumpe, z.B. eine Membranpumpe, ersetzt werden kann.

Molekularpumpen nach der Bauart von Hollweck wurden in verschiedenen Ausführungsformen, insbesondere auch in der Kombination mit Turbomolekularpumpen, vorgeschlagen (z.B. DE AS 2 409 857 und EP 0 129 709). Seither ist es jedoch nicht gelungen, diese Pumpen auf einem weiten Anwendungsgebiet praktisch einzusetzen. Dies ist im wesentlichen folgendermassen zu begründen: In Molekularpumpen mit spiralförmigen Kanälen baut sich während des Betriebes entlang der Kanäle kontinuierlich ein Druckverhältnis von der Ansaugseite zur Ausstossseite hin auf. Durch dieses Druckverhältnis wird eine Rückströmung bewirkt, welche von der Ausstossseite zur Ansaugseite hin über den Spalt zwischen Rotor und Stator erfolgt. Dadurch werden das Druckverhältnis und das Saugvermögen erheblich reduziert.

Um diese Verluste in Grenzen zu halten, ist es notwendig, die Spalte zwischen Rotor und Stator sehr klein zu gestalten.

Üblich sind Spalte in einer Grössenordnung von einigen hundertstel Millimetern.

Bei den hohen Drehzahlen, welche für einen guten Wirkungsgrad erforderlich sind, treten hierbei grosse technische Probleme auf, welche die Molekularpumpen nach der Bauart von Hoilweck zu äusserst kritischen Bauteilen machen. Da der Spalt zwischen Rotor und Stator aus Sicherheitsgründen umso grösser sein muss, je höher die Drehzahl der Pumpe ist, werden damit auch die Verluste durch Rückströmung grösser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Molekularpumpe zu entwickeln, bei welcher die obengenannten Nachteile nicht auftreten. Insbesondere soll erreicht werden, dass die Spalte zwischen Rotor und Stator so gross ausgebildet werden können, dass ein sicherer Betrieb gewährleistet ist und gleichzeitig die Rückströmung auf ein Minimum reduziert wird.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 11 kennzeichnen weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung.

Das Verhältnis K der gesamten Pumpe setzt sich aus den Druckverhältnissen der einzelnen Pumpstufen Ki, K2 Kn wie folgt zusammen: K = Ki x

Kz x.... x Kn.

Die Rückströmung von der Ausstossseite zur Ansaugseite, welche zwischen Rotor und Stator stattfindet, steigt mit dem Druckverhältnis der Pumpe an. Die Aufteilung der Pumpe in mehrere Pumpstufen mit kleinerem Druckverhältnis bewirkt eine entscheidende Reduzierung der Rückströmung.

Durch die konische Form von Rotor und Stator und durch die Tatsache, dass die Abschnitte des Rotors mit glatter äusserer Oberfläche, welche dessen äussersten Durchmesser bezeichnen und die Abschnitte des Stators mit glatter innerer Oberfläche, welche dessen innersten Durchmesser bezeichnen, mit ihrem Aussen- bzw. Innenkonus auf derselben Mantelfläche liegen, sind weiter entscheidende Vorteile zu erzielen:

Ein Merkmal, welches für den Aufbau eines maximalen Druckverhältnisses innerhalb der Pumpe wichtig ist, ist die optische Dichtheit. Dies bedeutet, dass keine geradlinige freie Verbindung zwischen den einzelnen Pumpstufen existiert, wodurch die Moleküle keine Möglichkeit haben, ungehindert von einer Pumpstufe in die nächste zu gelangen. Somit wird der Rückströmung, welche schon durch die Aufteilung der einzelnen Pumpstufen reduziert ist, ein weiteres Hindernis entgegengesetzt.

Dadurch, dass die Abschnitte des Rotors mit glatter äusserer Oberfläche und die Abschnitte des Stators mit glatter innerer Oberfläche auf derselben Mantelfläche liegen und nicht darüberhinaus ragen, also Rotor- und Statorabschnitte nicht ineinandergreifen, wird die Montage der Pumpe wesentlich erleichtert. Befinden sich die grösseren Durchmesser der Konen auf der Ansaugseite, dann kann der Rotor nach oben abgenommen werden. Im umgekehrten Falle, wenn die grösseren Durchmesser der Konen sich auf der Ausstossseite befinden, kann der Stator nach oben abgenommen werden. In keinem Falle ist es erforderlich, Rotor- oder Statorabschnitte zu trennen.

Die Tatsache, dass Rotor- und Statorabschnitte nicht ineinandergreifen, bringt den Vorteil mit sich,

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dass bei axialer Ausdehnung von Rotor oder Stator ein axiales Anlaufen ausgeschlossen ist.

Die in den Ansprüchen 9 bis 11 gekennzeichneten geometrischen Verhältnisse ermöglichen eine optimale Auslegung der Pumpe in Bezug auf Druckverhältnis und Saugvermögen. Da das Gas von Pumpstufe zu Pumpstufe, beginnend mit der ersten auf der Ansaugseite, immer weiter verdichtet wird, verringert sich entsprechend das Volumen der angesaugten Gasmenge beim Durchströmen der Pumpe. Somit können die zur Förderung nötigen Volumina verringert werden. Dies führt dazu, dass die Tiefe und/oder die Breite der Rillen sowie die axiale Ausdehnung der einzelnen Pumpeinheiten von der Ansaugseite zur Ausstossseite hin abnehmen. Ebenso wird es möglich, die Steigung der Rillen nach der Ausstossseite hin zu verringern. Durch diese Massnahmen ergibt sich ein höheres Druckverhältnis für diese Stufen.

Ein Ausführungsbeispiei ist in den beiden Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Gesamtdarstellung der erfindungsgemäs-sen Molekularpumpe

Fig. 2 Ausschnitt «X» aus Fig. 1

Wie Fig. 1 zeigt, befindet sich im Gehäuse 1 der Rotor 2, welcher durch die Lageranordnung 3 fixiert und durch den Motor 4 angetrieben wird. Der Rotor 2 ist innerhalb des Stators 5 angeordnet. Die Förderung des Gases erfolgt von der Ansaugseite 6 über Rotor und Stator zur Ausstossseite 7.

In Fig. 2 sind Rotor 2 und Stator 5, welche jeweils aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt sind, näher dargestellt. Der Rotor besteht aus zwei Arten von Abschnitten mit verschiedenen Oberflächen, die abwechselnd hintereinander angeordnet sind. Dabei weist die eine Art 8 am Aussendurch-messer Spiralrillen auf und die andere Art 9 aussen eine glatte Oberfläche. Ebenso besteht der Stator aus zwei Arten von Abschnitten mit verschiedenen Oberflächen, die abwechselnd hintereinander angeordnet sind, wobei die eine Art 10 am Innendurchmesser Spiralrilien aufweist und die andere Art 11 innen eine glatte Oberfläche.

Die Rotor- und Statorabschnitte bilden Pumpstufen, welche sich aus Pumpeinheiten folgendermas-sen zusammensetzen:

Eine Pumpeinheit einer Pumpstufe besteht aus einem Teil eines Abschnittes 8 mit Spiralrillen des Rotors und aus einem Abschnitt 11 mit glatter innerer Oberfläche des Stators. Zwei Pumpeinheiten bestehen aus je einem Teil eines Abschnittes 8 mit Spiralrillen des Rotors und aus je einem Teil eines Abschnittes 10 mit Spiralrillen des Stators. Eine weitere Pumpeinheit besteht aus einem Abschnitt 9 mit glatter äusserer Oberfläche des Rotors und aus einem Teil eines Abschnittes 10 mit Spiralrillen des Stators.

Dieser Aufbau gilt für das angeführte Ausführungsbeispiel. In anderen Ausführungsarten können Anzahl und Reihenfolge der Pumpeinheiten einer Pumpstufe verschieden sein.

Die einzelnen Abschnitte des Rotors sind an ihrer Aussenseite und die einzelnen Abschnitte des Stators an ihrer Innenseite konisch ausgebildet. Dabei liegen die äusseren Oberflächen der Rotorteile 9 und die inneren Oberflächen der Statorteile 11 auf derselben Mantelfläche.

Die axiale Ausdehnung der einzelnen Pumpeinheiten nimmt von der Ansaugseite zur Ausstossseite hin ab. Ebenso verringern sich die Tiefe und/oder die Breite der Spiralrillen sowie deren Steigung nach der Ausstossseite hin.

Claims

Patentansprüche

1. Molekularpumpe zur Förderung von Gasen, bestehend aus Rotor und Stator, welche konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei sich der Rotor innerhalb des Stators befindet, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor (2) und Stator (5) jeweils aus mehreren Abschnitten bestehen, die zusammengenommen mehrere Pumpstufen bilden und jede Pumpstufe wiederum aus verschiedenen Pumpeinheiten zusammengesetzt ist.

2. Molekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) abwechselnd aus Abschnitten (8), die aussen mit Spiralrillen versehen sind, und aus Abschnitten (9), deren äussere Oberflächen glatt sind, besteht.

3. Molekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (5) abwechselnd aus Abschnitten (10), die innen mit Spiralrillen versehen sind, und aus Abschnitten (11), deren innere Oberflächen glatt sind, besteht.

4. Molekularpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpeinheit einer Pumpstufe aus einem Teil eines Abschnittes (8) mit Spiralrillen des Rotors und aus einem Abschnitt (11) mit glatter innerer Oberfläche des Stators, zwei Pumpeinheiten aus je einem Teil eines Abschnittes

(8) mit Spiralrilien des Rotors und aus je einem Teil eines Abschnittes (10) mit Spiralrilien des Stators und eine weitere Pumpeinheit aus einem Abschnitt

(9) mit glatter äusserer Oberfläche des Rotors und aus einem Teil eines Abschnittes (10) mit Spiralrillen des Stators gebildet werden.

5. Molekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Abschnitte des Rotors an ihrer Aussenseite und die einzelnen Abschnitte des Stators an ihrer Innenseite konisch ausgebildet sind.

6. Molekuiarpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die grösseren Durchmesser der Konen nach der Saugseite hin angeordnet sind.

7. Molekularpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die grösseren Durchmesser der Konen nach der Ausstossseite hin angeordnet sind.

8. Molekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte des Rotors mit glatter äusserer Oberfläche und die Abschnitte des Stators mit glatter innerer Oberfläche mit ihrem Aussen- bzw. Innenkonus auf derselben Mantelfläche liegen.

9. Molekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die

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Tiefe und/oder die Breite der Spiralrillen von der Ansaugseite nach der Ausstossseite hin abnehmen.

10. Molekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ausdehnung der einzelnen Pumpeinheiten von der Ansaugseite zur Ausstossseite der Pumpe hin abnimmt.

11. Molekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Spiralrillen von der Ansaugseite nach der Ausstossseite hin abnimmt.

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