DE1015573B

DE1015573B - Molecular pump

Info

Publication number: DE1015573B
Application number: DEP15598A
Authority: DE
Inventors: Willi Becker
Original assignee: ARTHUR PFEIFFER FA
Current assignee: ARTHUR PFEIFFER FA
Priority date: 1956-02-02
Filing date: 1956-02-02
Publication date: 1957-09-12

Description

Molekularpumpe Die Erfindung betrifft Pumpen zur Herstellung hoher Vakua, die zwischen dem Rezipienten und einem V orvakuum arbeiten und unter dem 'Namen Molfkularpumpen in verschiedenen 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.Molecular Pump The invention relates to pumps for producing high Vacuums that work between the recipient and a pre-vacuum and below the 'Names molecular pumps in various embodiments are known, The known Pumps of this type show a closed housing, one at high speed therein rotating body and a channel in the housing leading from the suction to the pressure side, which is limited on one side by the rotating body. The well-known way of working this Pumping is based on the fact that the gas or gas molecules due to external friction on rotating body is given a movement impulse in the direction of the fore-vacuum.

Die -einfachste Form einer Molekularpumpe zeigt ein üblicherweise feststehendes, zvlindrisches Gehäuse mit einer nach innen offenen Ringnut, die an einer Stelle durch eine Wand geteilt ist und einen roti,erenclen 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 be- grenzen. 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 Sauggeschwi:ndigkei@t und das Druckverhältnis dieser Pumpen zu erhöhen. Bekannt sind Pumpen mit einem schraubenförmigen Kanal im feststehenden Gehäuse und einem rotierenden, zylindrischen Körper, wobei der Mantel des rotierenden Körpers den Gasmolekülen den Bewegungsimpuls erteilt, oder Pumpen mit scheibenförmigem rotierendem Körper und einem im wesentlichen aus zwei Scheiben gebildeten, geschlossenen Gehäuse, bei denen die Scheiben zu beiden Seiten des rotierenden Körpers liegen und spiralförmig eingeschnittene Nuten zeigen. Es sind auch Pumpen bekannt, bei denen der schraubenförmige Kanal im rotierenden Körper angebracht und die ihn begrenzende Gehäusewand glatt ausgebildet ist, Allen diesen Pumpen ist gemeinsam, daß Saug- und Druckseite der Pumpe durch einen entweder im Gehäuse oder im rotierenden Körper befindlichen Kanal verbunden sind, dessen Längsachse mit der Bewegungsrichtung des rotierenden Körpers praktisch zusammenfällt, und daß die Länge des Kanals für jede Druckstufe um den Umfang des rotierenden Körpers zunimmt. 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.The simplest form of a molecular pump shows a usually fixed, cylindrical housing with an inwardly open annular groove, which is divided at one point by a wall and a roti, erenclen disk-shaped, cylindrical body which delimits the inner open side of the annular groove. Shortly in front of and behind the partition wall, a line leads from the annular groove to the suction and pressure side of the pump. Such a pump forms a single pressure stage, the points of highest and lowest pressure in the channel are separated by the wall in the ring channel. The suction and pressure sides of the pump are connected by the air gap between the outer circumference of the disc and the inner one of the annular groove. Through this gap the gas molecules can reach the limits the achievable with a stage pressure ratio and the pumping speed at these pump loading. For this reason, it is customary to keep the gap as small as possible and to provide several pressure stages in order to reduce the pressure difference in the gap between each stage and thus to increase the suction speed and the pressure ratio of these pumps. Pumps are known with a helical channel in the stationary housing and a rotating, cylindrical body, the jacket of the rotating body giving the gas molecules the impulse to move, or pumps with a disk-shaped rotating body and a closed housing formed essentially from two disks, in which the Discs lie on either side of the rotating body and show grooves incised in a spiral. Pumps are also known in which the helical channel is mounted in the rotating body and the housing wall delimiting it is smooth. All these pumps have in common that the suction and pressure sides of the pump are connected by a channel located either in the housing or in the rotating body , the longitudinal axis of which practically coincides with the direction of movement of the rotating body, and that the length of the channel increases for each pressure stage around the circumference of the rotating body. With this design, the overall length of the pump increases with the width of the channel and with the number of steps. The longer the pump, the larger the air gap must be for mechanical reasons. Since the pressure ratio that can be achieved decreases rapidly with increasing air gap, the condition is reached even with a small number of stages that an increase in the suction speed and the pressure ratio can no longer be achieved by increasing the number of stages.

Abweichend von den bekannten Pumpen ist die nach dem Prinzip der Molekudarpumpen arbeitende Pumpe der Erfindung so aufgebaut, daß die axiale Länge einer Druckstufe sehr klein gehalten werden kann. Die Pumpe nach der Erfindung bietet so die Möglichkeit, sie bei kleinem Luftspalt aus einer hohen Anzahl von Stufen aufzubauen und den Druckunterschied zwischen den Stufen gering zu. halten. Die Spalte zwischen den zusammenwirkenden Flächen selbst erhalten eine Lage, die der Rückströmung der Moleküle zwischen benachbarten Stufen entgegenwirkt, so. daß auch verhältnismäßig große Spalte zulässig sind. Ein weiterer Vorteil der Pumpe ist, daß die Saug- und Druckseite durch eine große Anzahl kurzer Kanäle verbunden werden können. Mit einer Pumpe nach der Erfindung kann unter Beibehaltung der äußeren Abmessungen der bekannten Pumpen die Sauggeschwindigkeit oder das Druckgefälle oder beide um ein Vielfaches erhöht werden.In contrast to the known pumps, the one based on the principle of molecular oil pumps working pump of the invention constructed so that the axial length of a pressure stage can be kept very small. The pump according to the invention thus offers the possibility they build up a large number of steps with a small air gap and the pressure difference between the levels too low. keep. The gap between the cooperating Surfaces themselves are given a position that allows the return flow of the molecules between neighboring ones Steps counteracts so. that relatively large gaps are also permitted. A Another advantage of the pump is that the suction and pressure side have a large number short channels can be connected. With a pump according to the invention can under Maintaining the external dimensions of the known pumps, the suction speed or the pressure gradient or both can be increased many times over.

Die aus einem geschlossenen Gehäuse und einem rotierenden Körper bestehende Molekularpumpe ist erfindungsgemäß so, ausgebildet, daß die zusammenwirkenden Teile des rotierenden Körpers und des Gehäuses aus Scheiben mit nutartigen Ausschnitten bestehen, daß die Scheiben beider Teile in Richtung der Achse des rotierenden Körpers miteinander abwechseln und daß zumindest die Nuten der Scheiben dies 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.The one consisting of a closed housing and a rotating body According to the invention, the molecular pump is designed in such a way that the interacting parts the rotating body and the housing made of disks with groove-like cutouts insist that the discs of both parts are in the direction of the axis of the rotating body alternate with each other and that at least the grooves of the discs this part lateral, to the axis of the rotating Body inclined boundary surfaces have that with the face of the discs of the other part one in the direction of movement of the rotating body form a narrowing wedge-shaped space.

Die Erfindung ist im -folg-enden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben, in dieser zeigt Fig.1 einen Längsschnitt durch eine Melekularpumpe gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt durch die Abwicklung der genuteter Scheiben beider Pumpenteile und Fig. 4 einen gleichen Schnitt wie Fig. 3 durch zwei zusammenwirkende Scheiben mit abgeänderter Form der Nuten.The invention is -follow-ends on the basis of one shown in the drawing Embodiment described, in this Fig.1 shows a longitudinal section through a melecular pump according to the invention, FIG. 2 shows a cross section along line II-II 1 and 3 show a section through the development of the grooved disks of both Pump parts and FIG. 4 shows the same section as FIG. 3 through two cooperating Washers with a modified shape of the grooves.

_ Das zylindrische Gehäuse der Mo:le-kularpumpe ist mit 1 bezeichnet, es ist an den Stirnseiten durch Scheiben 2 und 3 abgeschlossen und trägt in seiner Mitte einen Stutzen 4 zum Anschluß der zum Rezipienten führenden Saugleitung. Die Scheiben 2 und 3 haben jede einen Stutzen 5, die mit einer zum Vorvakuum führenden Druckleitung verbunden sind._ The cylindrical housing of the modular pump is marked with 1, it is closed at the front sides by discs 2 and 3 and carries in his In the middle a nozzle 4 for connecting the suction line leading to the recipient. the Discs 2 and 3 each have a nozzle 5, which leads to a fore-vacuum Pressure line are connected.

In den Scheiben 2 und 3 ist die Welle 6 des rotierenden Teiles der Pumpe gelagert. Der Wellenzapfen 7 durchsetzt die Scheibe 3-und i;st entweder mit dem antreibenden Motor unmittelbar gekuppelt oder trägt ein geeignetes Antriebselement. Eine Dichtung 8 verhindert das Eindringen von Gasen in die Pumpe.In the disks 2 and 3, the shaft 6 of the rotating part is the Pump stored. The shaft journal 7 penetrates the disk 3 and i; st either with directly coupled to the driving motor or carries a suitable drive element. A seal 8 prevents gases from entering the pump.

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 Pumpengehäuse so angeordnet, daß in der Mitte der Pumpe ein Saugraum 11 und an den Enden je ein Druckraum 12 gebildet werden.The shaft 6 carries several disks 9, eight in the exemplary embodiment Discs that are connected to the shaft in a rotationally fixed manner. These disks lie with low Game between the disks labeled 10, which are fixed in the shell 1 of the housing sit and have a hole in their center for the passage of the shaft 6. the fixed disks 10 are arranged in the pump housing so that in the middle of the pump a suction chamber 11 and a pressure chamber 12 at each end.

Die Scheiben 9 haben, wie Fig. 2 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 Umfange auf. Die sie trennenden Zähne sind mit 16 bezeichnet (Fig. 3).The disks 9 have, as FIG. 2 shows, labeled 13 on the outer circumference Cutouts or grooves. The individual grooves are defined by the tooth-like parts 14 separated from each other. Similar grooves 15 have the disks attached to the housing 10 on their outer circumference. The teeth separating them are denoted by 16 (Fig. 3).

Wie Fig. 3 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. 3 mit a hezeichnet. 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 Muten 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 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 zunehmend-er 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. b. jede Scheibe 9 oder 10 bildet eine Druckstufe, wobei zu zwei Druckstufen mindestens drei Scheiben gehören.As shown in FIG. 3, the grooves 13 and 15 of the disks 9 and 10 have lateral boundary surfaces 17 and 18, the axis of rotation of the shaft 6 by a Angles are inclined. This angle is for the boundary surfaces 18 of the grooves 15 in Fig. 3 with a denotes. The surfaces 18 close with the end faces 19 of the Teeth 14 of the adjacent disk 9 narrowing in the direction of movement (arrow 20), wedge-shaped spaces 21. During the rotation of the disks 9, the high speed occurs, a pressure arises in the channels 15 which, towards the tip of the wedge-shaped The space 21 grows, due to the end faces of the teeth 14 after that for molecular pumps valid principle. This increase in pressure causes the molecules to move into the grooves 13 of the disks 9 result as soon as these grooves coincide with the grooves 15 or begin to cover. The boundary surfaces 17 of the grooves 13 in the disks 9 are inclined by an angle ß to the axis of rotation of the shaft 6, but opposite to Inclination of the surfaces 18. The surfaces 17 also form with the end surfaces 22 of the Teeth 16 narrowing, wedge-shaped spaces 23 in the direction of movement In these spaces and thus in the channels 13, an increasing pattern arises towards the tip Pressure resulting in a movement of the molecules by following in the direction of movement Grooves 15 gives rise to. The same process is then repeated in these grooves, i. b. each disk 9 or 10 forms a pressure level, with at least two pressure levels belong to three discs.

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 fl ab. Je nachdem, ob eine große Sauggeschwindigkeit oder ein hoher Druck je Stufe erwünscht ist, wird die Größe der Winkel gewählt. Die Breite der Nuten, in der Umfangsrichtung gemessen, d. h. der Abstand der Begrenzungsflächen 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 schneidet oder, wie in Fig. 3 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 und der Zahnbreiten einer Scheibe wird vorzugsweise gleich Eins oder etwas größer als Eins gemacht, da die Zahnbreiten wesentlich für die Erzeugung des Druckgefälles einer Stufe sind.The height of the disks 9 and 10 in the axial direction is so low held, as is permissible for mechanical reasons. The amount of pressure will be determined by the size of the angles α and β. The larger the angles a and ß are, the higher the pressure, on the other hand, the suction speed increases with increasing pressure Angles a and fl from. Depending on whether a high suction speed or a high one Pressure is required for each step, the size of the angle is chosen. The width of the Grooves measured in the circumferential direction, d. H. the distance between the boundary surfaces 17 from the opposite boundary surface of the groove perpendicular to the axis of rotation measured, results from the consideration that an axially parallel laid through the groove Line intersects at least one boundary surface or, as shown in FIG. 3, the should touch the lower and the upper edge of both surfaces. With this width of the groove prevents molecules from flying straight through the grooves 15 or 13 -can. The ratio of the groove widths and the tooth widths of a disk is preferred made equal to one or slightly larger than one, since the tooth widths are essential for are the generation of the pressure drop of a stage.

Wie die Fig.2 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 nahe 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 groß em Spalt sehr gering werden.As Fig.2 shows, the suction and pressure side of the pump are through a larger number of channels, in the exemplary embodiment twelve channels, connected to the alternating with each other from grooves of the fixed and rotating disks put together. Since the axial height of the grooves is small, a small one can be used axial length accommodated a close number of stages and thus the pressure ratio in every level can be kept small. The backflow losses are very low, so that the suction speed and also the pressure ratio between recipient and Pre-vacuum can be kept high. Also in the gaps between the fixed ones and rotating surfaces counteract the backflow of the gas molecules, so that the gap losses are very low even with a large gap.

Es ist nicht erforderlich, die seitlichen Begrenzungsflächen der Nuten beider zusammenwirkender Scheiben geneigt zur Achse zu stellen. Wie Fi,g.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.It is not necessary to use the lateral boundary surfaces of the grooves to put both interacting discs inclined to the axis. As Fi, g.4 shows, the boundary walls 24 of a disk 25 can be axially parallel if the walls 26 of the other disk 27 are inclined to the axis. In this case only the Disc with the inclined walls as a pressure stage.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. From a closed housing and a rotating one Body existing molecular pump with at least one from the suction to the pressure side the pump leading groove-like channel on one side of a surface of the rotating Body is limited, characterized in that the cooperating parts of the rotating body and the housing consist of disks with groove-like cutouts, that the disks of both parts in the direction of the axis of the rotating body with each other alternate and that at least the grooves of the disks of one part lateral, to the axis of the rotating body have inclined boundary surfaces with the Face of the disks of the other part one in the direction of movement of the rotating one Body to form a narrowing wedge-shaped space.

2. Molecular pump according to claim 1, characterized in that the lateral boundary surfaces of the grooves of the discs both cooperating parts inclined to the axis of the rotating body and the Inclinations of the boundary surfaces of both parts are opposite to each other.

3. Molecular pump according to Claim 1, characterized in that the grooves are with the axis of the rotating pump part inclined side boundary surfaces in the circumferential direction have such a width that at least one axially parallel line laid through the groove one of the lateral boundary surfaces intersects.

4. Molecular pump according to claim 1, characterized in that the inclination of the lateral boundary surfaces of the Grooves of the disks adjacent to the pressure side of the pump is smaller than that of the Neighboring suction side.

5. Molecular pump according to claim 1, characterized in that that the lateral boundary surfaces of the grooves of the discs are one of the cooperating Parts inclined to the axis of rotation of the pump and the boundary surfaces of the grooves of the other Part are axially parallel. Documents considered: British Patent Specification No. 137 550.