DE102013207059A1

DE102013207059A1 - Turbomolekularpumpe mit Stator- und/oder Rotorelementen mit Metalloxid-Oberfläche mit hohem Strahlungsvermögen

Info

Publication number: DE102013207059A1
Application number: DE102013207059.4A
Authority: DE
Inventors: Ivan Flaminio Cozza; Luca Bonmassar
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-10-23

Abstract

Turbomolekularpumpe (100) zum Erzeugen eines Vakuums in einem zu evakuierenden Raum (102), wobei die Turbomolekularpumpe (100) ein Pumpengehäuse (104), an das der zu evakuierende Raum (102) anschließbar ist, eine Mehrzahl von Statorelementen (106), die statisch im Inneren des Pumpengehäuses (104) angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Rotorelementen (108) aufweist, die rotierbar im Inneren des Pumpengehäuses (104) angeordnet sind, wobei die Statorelemente (106) und die Rotorelemente (108) alternierend angeordnet sind, so dass aus dem zu evakuierenden Raum (102) abzupumpendes Medium entlang von Zwischenräumen (110) zwischen den Statorelementen (106) und den Rotorelementen (108) abführbar ist, und wobei zumindest ein Teil der Oberfläche von zumindest einem Teil der Statorelemente (106) und/oder Rotorelemente (108) Metalloxid aufweist.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe und ein Verfahren zum Herstellen einer Turbomolekularpumpe.
Eine Turbomolekularpumpe enthält eine ein- oder mehrstufig abwechselnde Anordnung von Statorelementen (Leitblechen), zwischen welchen Rotorelementen (Rotorblätter) laufen. Die Geschwindigkeit der Rotorblätter kann ungefähr in der Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit der Gasmoleküle liegen. Die Pumpwirkung resultiert daraus, dass den abzupumpenden Partikeln Impulse mit einer axialen Komponente zugefügt werden. Ob dieser zusätzliche Impuls zum Verlassen des Rezipienten ausreicht, hängt dabei von der Teilchenmasse und damit von der Atomsorte ab.
Statorelemente von Turbomolekularpumpen sind häufig aus Materialien hergestellt, die einen niedrigen Emissionsgrad bzw. ein niedriges Strahlungsvermögen aufweisen. Eine Oberfläche mit einem niedrigen Emissionsgrad bzw. Strahlungsvermögen reflektiert elektromagnetische Strahlung wie Infrarotstrahlung, anstatt diese Strahlung zu absorbieren und zu emittieren, so dass der Wärmeaustausch durch Strahlung durch eine solche Oberfläche mit niedrigem Emissionsgrad nicht gefördert wird. Der Wärmeaustausch durch thermische Strahlung ist allerdings eine wichtige Komponente im Rahmen des globalen Wärmeaustausches einer Turbomolekularpumpe, da der sehr niedrige Druck im Inneren der Pumpe den Wärmeaustausch durch Gaskonvektion stark einschränkt. Daher tendiert eine Turbomolekularpumpe mit Statorelementen mit niedrigem Emissionsgrad zu einer niedrigeren globalen Wärmeaustauschrate. Dies führt unter gleichbleibenden Arbeitsbedingungen zu höheren Temperaturen von Rotorelementen und Lagern und dadurch zu einer Verringerung der Zuverlässigkeit. Ähnliche Nachteile haben Rotorelemente mit geringem Emissionsgrad.
"Turbomolecular pump with an ultimate pressure of 10–12 Torr", J. Vac. Sci. Technol. A 12, 1695 (1994) offenbart eine Turbomolekularpumpe, bei der die Rotorelemente und die Statorelemente mit einer Siliziumoxidschicht versehen sind, um die Temperatur der Rotoren im Betrieb zu reduzieren.
Weiteren Stand der Technik offenbaren EP 0,799,999 , EP 1,340,918 , US 5,350,275 und JP 3792318.
Allerdings sind herkömmliche Beschichtungen von Komponenten einer Turbomolekularpumpe nicht für alle Anwendungsgebiete gut geeignet, da manche Beschichtungen nicht an allen Untergrundmaterialien zuverlässig und lang anhaltend anhaften bzw. auch deren Verfügbarkeit begrenzt sein kann. Ferner sind solche Beschichtungen in einer Turbomolekularpumpe extremen Druck- und teils auch Temperaturbedingungen ausgesetzt, so dass diese besondere Anforderungen erfüllen müssen, um solchen Bedingungen auch langfristig standhalten zu können.
OFFENBARUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Turbomolekularpumpe mit langfristig großer Robustheit gegenüber thermischen Belastungen bereitzustellen, die hinsichtlich der verwendbaren Materialien eine hohe Designfreiheit aufweist. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Turbomolekularpumpe zum Erzeugen eines Vakuums in einem zu evakuierenden Raum geschaffen, wobei die Turbomolekularpumpe ein Pumpengehäuse, an das der zu evakuierende Raum anschließbar ist, eine Mehrzahl von Statorelementen, die statisch im Inneren des Pumpengehäuses angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Rotorelementen aufweist, die rotierbar im Inneren des Pumpengehäuses angeordnet sind, wobei die Statorelemente und die Rotorelemente alternierend angeordnet sind, so dass aus dem zu evakuierenden Raum abzupumpendes Medium entlang von Zwischenräumen zwischen den Statorelementen und den Rotorelementen abführbar ist, und wobei zumindest ein Teil der Oberfläche von zumindest einem Teil der Statorelemente und/oder Rotorelemente Metalloxid aufweist.
Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Herstellen einer Turbomolekularpumpe zum Erzeugen eines Vakuums in einem zu evakuierenden Raum bereitgestellt, wobei bei dem Verfahren ein Pumpengehäuse ausgebildet bzw. bereitgestellt wird, an das der zu evakuierende Raum anschließbar ist, eine Mehrzahl von Statorelementen statisch und eine Mehrzahl von Rotorelementen rotierfähig im Inneren des Pumpengehäuses in einer derart alternierenden Abfolge angeordnet werden, dass aus dem zu evakuierenden Raum abzupumpendes Medium entlang von Zwischenräumen zwischen den Statorelementen und den Rotorelementen abführbar ist, und zumindest ein Teil der Oberfläche von zumindest einem Teil der Statorelemente und/oder Rotorelemente aus Metalloxid vorgesehen wird.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zumindest ein Teil der Oberflächen von Statorelementen und/oder zumindest ein Teil der Oberflächen von Rotorelementen aus Metalloxid vorgesehen, was den metalloxidischen Elementen ein erhöhtes Strahlungsvermögen bzw. einen erhöhten Emissionsgrad verleiht. Der Emissionsgrad eines Körpers gibt an, wie viel Strahlung er im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler (d.h. einem schwarzen Körper) abgibt, wobei das Absorptionsvermögen und das Emissionsvermögen eines Körpers stets eng miteinander korreliert sind (d.h., dass ein Körper mit einem hohen Emissionsgrad Strahlung aus der Umgebung auch gut aufnehmen und somit zu deren Abführung beitragen kann). Dadurch wird durch das oberflächliche Metalloxid der Wärmeaustausch durch Strahlung erhöht bzw. gefördert, wodurch während des Betriebs der Turbomolekularpumpe die Temperatur des Rotors bzw. der Lager verringert wird. Dies hat vorteilhafte Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit, Fehlerrobustheit und Langlebigkeit der Turbomolekularpumpe. Untersuchungen der vorliegenden Erfinder zufolge kann der Wärmeaustausch durch Strahlung durch die mit Metalloxid beschichteten oder vollständig aus Metalloxid gebildeten Statorelemente/Rotorelemente gegenüber metalloxidfreien Statorelementen/Rotorelementen signifikant erhöht werden. Ein wichtiger Vorteil der Metalloxidoberflächen ist aber auch, dass diese selbst in kleinsten Schichtdicken von wenigen Mikrometern sowie bei kleinsten Drücken und bei starker thermischer Beaufschlagung stabil in ihren physikalischen (zum Beispiel keine Ablösung) und chemischen (zum Beispiel keine nennenswerte Veränderung der chemischen Zusammensetzung) Eigenschaften sind und somit in einer Turbopumpe besonders wirksam eingesetzt werden können. Solche Metalloxidoberflächen lassen sich ferner mit einfachen und schnell durchführbaren Produktionsverfahren (wie insbesondere Galvanisierung) herstellen und sind daher auch im industriellen Maßstab höchst vorteilhaft einsetzbar.
Im Weiteren werden weitere Ausgestaltungen der Turbomolekularpumpe und des Verfahrens beschrieben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil der Statorelemente einen Statorelementkern und eine Oberflächenbeschichtung aus dem Metalloxid aufweisen, wobei die Oberflächenbeschichtung zumindest einen Teil des Statorelementkerns umgibt. Auf diese Weise kann der Statorelementkern auf die spezifischen Erfordernisse der Statorelemente angepasst werden, kann zum Beispiel entsprechend leichtgewichtig und robust vorgesehen werden. Dagegen kann die selektiv auf den Statorelementkern aufbringbare Oberflächenbeschichtung spezifisch dahingehend angepasst werden, dass der Emissionsgrad der Statorelemente und somit der Turbomolekularpumpe als Ganzes erhöht werden kann. Die Konfiguration der Statorelemente als Kern-Beschichtungs-Bauteile erlaubt es zudem, selektiv nur bestimmte Oberflächenbereiche der Statorelemente mit der hochemissiven Schicht zu versehen, wohingegen andere Bereiche zum Beispiel zur Herstellung besserer thermischer Leitfähigkeit unbeschichtet bleiben können. Somit erlaubt die beschriebene Konfiguration ein hohes Maß an Designfreiheit.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Oberflächenbeschichtung eine Dicke in einem Bereich zwischen ungefähr 1 µm und ungefähr 20 µm haben, insbesondere zwischen ungefähr 5 µm und ungefähr 10 µm. Es hat sich experimentell herausgestellt, dass sich bereits bei sehr dünnen Beschichtungen zwischen 5 µm und 10 µm eine ausreichend gute Erhöhung des Strahlungsvermögens ergibt, ohne dass Homogenitäts- und Haftungsprobleme auftreten, die bei zu dicken Beschichtungen eines Kerns zu befürchten sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Statorelementkern aus einem Metall, insbesondere aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung, gebildet sein. Diese Materialien haben sich als Material für Statorelemente einer Turbomolekularpumpe bewährt und sind erfindungsgemäß lediglich durch Aufbringen einer Metalloxid-Beschichtung anzupassen, womit an gut ausgereiften Herstellungsprozessen für den Statorelementkern festgehalten werden kann. Ferner eignet sich Stahl bzw. eine Aluminiumlegierung gut als Grundmaterial zum Beschichten mit einem Metalloxid.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil der Statorelemente als Vollkörper aus dem Metalloxid ausgebildet sein, insbesondere daraus bestehen. Gemäß dieser alternativen Ausgestaltung können die Statorelemente beschichtungsfrei und daher einstückig und einstoffig aus einem Metalloxidmaterial hergestellt werden, um sowohl robust zu sein als auch in deren Oberflächenbereichen einen guten Emissionsgrad zu erreichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil der Oberfläche von zumindest einem Teil der Rotorelemente und der Statorelemente Metalloxid aufweisen. Somit können nicht nur die Statorelemente, sondern zusätzlich auch die Rotorelemente mit einer Oberflächenbeschichtung aus Metalloxid versehen werden oder aus Metalloxid bestehen, was zu einem verbesserten Strahlungsvermögen sowohl der Rotorelemente als auch der Statorelemente führt. Insbesondere kann dadurch die Temperatur kritischer Komponenten der Turbomolekularpumpe im Betrieb weiter reduziert werden, was sich auf deren Lebenszeit positiv auswirkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil der Rotorelemente einen Rotorelementkern und eine Oberflächenbeschichtung aus dem Metalloxid aufweisen, wobei die Oberflächenbeschichtung zumindest einen Teil des Rotorelementkerns umgibt. Somit können die Rotorelemente mit einem Kern und einer diesen umgebenden metalloxidischen Beschichtungshülle ausgestattet werden, was einerseits hinsichtlich der Materialwahl des Rotorkerns und andererseits der Rotorbeschichtung eine individuelle Anpassbarkeit der dynamischen Rotoreigenschaften (Kernmaterial) und der Wärmeaustauscheigenschaften (Mantelmaterial) erlaubt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Rotorelementkern aus einem Kompositmaterial oder aus einem Metall gebildet sein. Das Vorsehen der Rotorelemente als Kern-Mantel-Bauteile erlaubt es somit, mit einem Kompositmaterial oder einem Metall einen leichtgewichtigen und robusten Basiskörper bereitzustellen, der mit Metalloxid gut beschichtbar ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann – als Alternative oder besonders vorteilhaft als Ergänzung zum Beschichten der Rotorelementkerne/Statorelementkerne mit Metalloxid – zumindest ein Teil der Oberfläche von zumindest einem Teil der Rotorelemente mittels Sandstrahlens behandelt sein. Damit wird die Oberflächenrauhigkeit der Rotorelemente erhöht und daher deren Strahlungsvermögen weiter verbessert. Untersuchungen haben ferner gezeigt, dass ein Sandstrahlen der Rotorelemente insbesondere in den niedrigen „Drag“-Typ Stufen (auch „TwisTorr“ Stufen genannt) der Turbomolekularpumpe eine bessere Pumpleistung ergeben, da dies einen erhöhten viskosen Widerstand bewirkt. Dagegen haben Untersuchungen ergeben, dass ein Sandstrahlen der Statorelemente nur zu höherer Reibung führt, was wiederum zu einer größeren Dissipation von Energie und somit zu der Erzeugung einer höheren Wärmemenge führt. Daher ist es bevorzugt, die Rotorelemente mittels Sandstrahlens zu behandeln und die Statorelemente von einer Behandlung mittels Sandstrahlens freizuhalten. Es ist insbesondere möglich, das Beschichten eines Rotorelementkerns mit Metalloxid einerseits und eine Behandlung mittels Sandstrahlens (vor oder nach dem Beschichten) andererseits zu kombinieren, wodurch eine noch bessere Charakteristik hinsichtlich des Emissionsgrads erreicht werden kann.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Metalloxid ein Oxid aus der Titangruppe sein. In der vierten Gruppe des Periodensystems, die als Titangruppe bezeichnet wird, sind unter anderem die Elemente Titan, Zirconium und Hafnium enthalten. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften weisen Metalloxide aus der Titangruppe eine große Kompaktheit und eine große Dichtheit (das heißt eine geringe Anfälligkeit für eine Leckage) auf. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Metalloxide aus der Titangruppe nur in äußerst geringem Umfang permeabel für leichte Gase wie zum Beispiel Wasserstoffmoleküle (H₂) und ist ebenfalls nur in äußerst geringem Umfang permeabel für Wasserdampf. Die geringe Gas- bzw. Dampfdurchlässigkeit von Metalloxiden aus der Titangruppe im Falle einer Beschichtung von Statorelementen bzw. Rotorelementen kann dadurch die Leistungsfähigkeit einer Turbomolekularpumpe erhöhen und bewirken, dass mit dieser ein besserer Enddruck erreichbar ist. Ein weiterer signifikanter Vorteil von Metalloxiden aus der Titangruppe in Bezug auf deren Einsatz als Beschichtungs- oder Oberflächenmaterial von Rotor- bzw. Statorelementen einer Turbomolekularpumpe ist, dass Metalloxide der Titangruppe bei Ihrer Abscheidung auf einem Rotor- oder Statorelementkern eine äußerst glatte Oberfläche ohne größere Rauigkeiten bilden. Dadurch kann ein Rotieren von Rotorelementen beim Betrieb einer Turbomolekularpumpe mit geringeren Reibungskräften erfolgen, was wiederum zu einer niedrigeren Energiedissipierung und somit zu einer niedrigeren Betriebstemperatur der Turbomolekularpumpe führt, die folglich eine bessere Zuverlässigkeit und eine längere Lebensdauer hat. Metalloxide der Titangruppe bieten insbesondere den weiteren Vorteil, dass diese in Form von Schichten äußerst rein herstellbar sind, so dass es nur in sehr geringem Maße Einschlüsse unerwünschter Substanzen (wie zum Beispiel Schwefelverbindungen) gibt. Dies resultiert unter anderem aus dem Umstand, dass Metalloxide der Titangruppe mittels Galvanisierens herstellbar sind, und nicht notwendig durch eine Umwandlung eines Basismaterials (wie im Falle von Aluminium und Aluminiumoxid). Damit ist ein kontrollierter Herstellungsprozess möglich. Unerwünschte Einflüsse sind zum Beispiel dann besonders störend, wenn die Turbomolekularpumpe für Instrumente wie zum Beispiel Massenspektrometer eingesetzt werden, wo die Emission unerwünschter Substanzen in der Messkammer von der Turbomolekularpumpe die Messung einer Probenzusammensetzung negativ beeinflussen könnte.
Gemäß einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Metalloxid Titanoxid (insbesondere Titandioxid, TiO₂) sein. Titanoxid, insbesondere Titandioxid, hat sich als besonders geeignetes Metalloxid erwiesen, das auf den oben genannten Untergründen von Statorelementkern bzw. Rotorelementkernen zuverlässig anhaftet und dort eine homogene Schicht ausbildet, mit der das Strahlungsvermögen der Turbomolekularpumpe um ein Vielfaches verbessert werden kann (siehe zum Bespiel die Messergebnisse von 4). Für Titanoxid gilt in besonderem Maße, dass dieses annähernd undurchlässig für leichte Gase ist sowie dass dessen Oberfläche (insbesondere bei Abscheidung in einem galvanischen Bad) eine sehr geringe Oberflächenrauigkeit aufweist, so dass es besonders vorteilhaft ist, Titanoxid zur Beschichtung von Statorelementen bzw. Rotorelementen einer Turbomolekularpumpe einzusetzen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Metalloxid einen Emissionsgrad von mindestens ungefähr 0,4, insbesondere von mindestens ungefähr 0,8, aufweisen. Wird das Metalloxid konfiguriert, um einen Emissionsgrad von mindestens 0,4 und vorzugsweise mindestens 0,8, zum Beispiel mindestens 0,9, zu erreichen, so sind die damit erreichbaren Betriebstemperaturen von Komponenten der Turbomolekularpumpe derart gering, dass Lager und andere Komponenten auch bei Langfristbetrieb und unter hohen Beanspruchungen vor einer Verschlechterung oder Zerstörung durch thermische Belastungen zuverlässig geschützt sind. Gerade bei Titanoxidbeschichtungen sind bereits sehr dünne Schichtdicken im Bereich von zum Beispiel wenigen Mikrometern ausreichend, um eine derart starke Erhöhung des Emissionsgrads zu erreichen (siehe zum Bespiel die Messergebnisse von 4).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Kontaktbereich zwischen einander kontaktierenden Statorelementen und/oder ein Kontaktbereich zwischen zumindest einem der Statorelemente und dem Pumpengehäuse von dem Metalloxid frei sein. Indem abschnittweise Oberflächenbereiche der Statorelemente/Rotorelemente von der Metalloxidbeschichtung frei bleiben, können diese an neuralgischen Punkten zur Stärkung der thermischen Leitfähigkeit oder zur Befestigung an anderen Komponenten der Turbomolekularpumpe weggelassen werden. Die beschriebenen Kontaktbereiche sind besonders empfindlich hinsichtlich deren Beitrag zum Abführen von thermischer Energie mittels Wärmeleitung. Indem diese Oberflächenbereiche von dem zwar wirksam den Emissionsgrad erhöhenden, aber teilweise eher mäßig wärmeleitfähigen Metalloxid freigehalten werden, kann eine synergistische Kombination aus einer Erhöhung des Emissionsgrads und einer Abfuhr von thermischer Energie durch Wärmeleitung erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Statorelemente als Kreisringsscheiben (insbesondere als Halbkreisringsscheiben) ausgebildet sein. Während die Statorelemente also als Kreisringscheiben ausgebildet werden können, können die Rotorelemente anschaulich als Rotorschaufeln oder Rotorflügel ausgebildet werden, die sich jeweils zwischen benachbarten Statorelementen drehen. Dadurch kann ein annähernd helixförmiger Pfad von Zwischenräumen geschaffen werden, entlang welchem die abzupumpenden Gasmoleküle bei Rotieren der Rotorelemente entlanggeführt werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Metalloxid als Beschichtung auf zumindest einen Teil der Oberfläche eines Kerns der Statorelemente und/oder Rotorelemente aufgebracht werden. Dabei kann auf an sich bekannte Beschichtungsverfahren zurückgegriffen werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Beschichtung aus Metalloxid mittels eines galvanischen Bads auf dem Kern aufgebracht werden. Das Galvanisieren von Metalloxidschichten ist ein einfaches und zuverlässiges Verfahren, das vor allem auf Untergründen oder Kernen von Statorelementen wie Stahl oder Aluminiumlegierungen vorteilhaft anwendbar ist. Unter Galvanotechnik oder Elektroplattieren wird die elektrochemische Abscheidung von metallischen Niederschlägen (Überzügen oder Beschichtungen) auf Substraten (Gegenständen wie Kernen) verstanden. Bei der Galvanik wird Strom durch ein elektrolytisches Bad geschickt. Am Pluspol befindet sich das Metall, das aufgebracht werden soll, am Minuspol der zu beschichtende Gegenstand. Der elektrische Strom löst dabei Metallionen von der Verbrauchselektrode ab und lagert sie durch Reduktion auf dem zu beschichtenden Gegenstand ab. Eine solche metallische Beschichtung kann dann zum Beispiel einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt werden, um sie in ein Metalloxid umzuwandeln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Dicke der Beschichtung mittels Einstellens der Eintauchzeit des Kerns in das galvanische Bad gesteuert werden. Somit ist eine komplizierte und aufwendige Dickenmessung entbehrlich, da bereits die Prozesszeit des Galvanisierens ein zuverlässiges Maß dafür ist, welche Menge des Beschichtungsmaterials auf einen Statorkern/Rotorkern aufgebracht wird, was einen unmittelbaren Aufschluss auf die Dicke der gebildeten Metalloxidschicht ermöglicht.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden hochemissive metalloxidische Oberflächenbeschichtungen zur Erhöhung des Wärmeaustauschs in Turbomolekularpumpen vorgeschlagen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden sowohl Rotorelemente als auch Statorelemente einer Turbomolekularpumpe so behandelt, dass diese einen erhöhten Emissionsgrad aufweisen. Hinsichtlich der Rotorelemente kann dies zum Beispiel mittels Sandstrahlens der Rotorelemente erreicht werden, womit der Wärmeaustausch der Pumpe durch Strahlung erhöht werden kann. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß auch eine Behandlung der Statorelemente der Pumpe dahingehend durchgeführt werden, dass diese zum Beispiel mit Titanoxid beschichtet werden, was zu einer Verbesserung des Emissionsgrads führt, der dadurch bis zu einem Faktor von 5 und mehr erhöht werden kann als beim Sandstrahlen. Darüber hinaus führt eine derartige Beschichtung zu dem Ausbilden einer Oberfläche mit einer verringerten Rauigkeit gegenüber Sandstrahlen, wodurch eine verringerte absorbierte mechanische Absorptionsleistung erhalten werden kann, wenn Statorgeometrie und die Rotationsgeschwindigkeit der Rotorelemente konstant gehalten wird.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, sowohl Statorelemente als auch Rotorelemente mit Metalloxid zu beschichten oder diese ausschließlich daraus vorzusehen. Ein Sandstrahlen der Rotorelemente ist möglich, aber für die Statorelemente entbehrlich.
Das Verwenden von Metalloxiden, insbesondere Titanoxid, führt zu Eigenschaften mit einem hohen Emissionsgrad. Darüber hinaus ist gerade Titanoxid ein leicht zugängliches und zuverlässig erhältliches Material, das durch Galvanisieren leicht auf gängige Untergründe von Statorelementen oder auch Rotorelementen aufgebracht werden kann. Titanoxid hat ferner günstige Haftungseigenschaften auf ganz verschiedenen Untergründen und hält den Belastungen und Bedingungen in einer Turbomolekularpumpe auch über lange Zeiträume hinweg konstant.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Andere Ziele und viele der begleitenden Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und besser verständlich werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Querschnitt einer Turbomolekularpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt einen unbehandelten halbkreisringförmigen Statorkern als Vorform eines Statorelements einer Turbomolekularpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt das mit Titanoxid beschichtete halbkreisringförmige Statorelement gemäß 2.
4 zeigt eine tabellarische Übersicht experimenteller Daten, welche das Strahlungsvermögen herkömmlicher Statorelemente und erfindungsgemäßer Statorelemente gegenüberstellt.
5 zeigt ein Diagramm, das für ein Statorelement einer erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe das Strahlungsvermögen bei unterschiedlichen Temperaturen zeigt.
6 zeigt eine Turbomolekularpumpe gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch.
1 zeigt einen Querschnitt einer Turbomolekularpumpe 100 zum Erzeugen eines Vakuums in einem abzupumpenden bzw. zu evakuierenden Raum 102, der in 1 nur angedeutet bzw. schematisch gezeigt ist, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Aus der Querschnittansicht der Turbomolekularpumpe 100 ist ersichtlich, dass diese ein äußeres Pumpengehäuse 104 aufweist, an das der zu evakuierende Raum 102 im gezeigten Ausführungsbeispiel oberseitig anschließbar ist. Die Gasmoleküle (oder allgemeiner Medium genannt) aus dem zu evakuierenden Raum 102 bewegen sich dabei entlang von Zwischenräumen zwischen räumlich an dem Pumpengehäuse 104 fixierten Statorelementen 106 und rotierfähig in dem Pumpengehäuse 104 gelagerten Rotorelementen 108, um unterseitig aus der Turbomolekularpumpe 100 in einen Raum einzutreten, in dem Vorvakuum herrscht, welches insbesondere von einer Vorvakuumpumpe erzeugt werden kann. Unter dem Begriff „Vorvakuum“ wird hierbei insbesondere ein Druck verstanden, der niedriger als ein umgebener Atmosphärendruck ist und welcher der Turbomolekularpumpe 100 bereitgestellt wird, um deren Betriebsweise zu ermöglichen.
In 1 sind fünf Ebenen von Statorelementen 106 gezeigt, die statisch an das statische und im Laborsystem ruhende Pumpengehäuse 104 angeschlossen sind. Die Statorelemente 106 sind im Inneren des Pumpengehäuses 104 angeordnet. Ebenfalls im Inneren des Pumpengehäuses 104 montiert ist jedes der Mehrzahl von drehfähig gelagerten Rotorelementen 108, die durch eine zentrale Welle 120 in Rotation versetzt werden können. Nach dem an sich bekannten Prinzip einer Turbomolekularpumpe sind die Statorelemente 106 und die Rotorelemente 108 alternierend entlang der Welle 120 derart angeordnet, dass aus dem zu evakuierenden Raum 102 abzupumpendes Gas entlang von Zwischenräumen 110 zwischen den Statorelementen 106 und den Rotorelementen 108 entlang einer etwa spiralförmigen Trajektorie abgeführt wird.
Während dieser Rotation der Rotorelemente 108 wird das Gas von dem zu evakuierenden Raum 102 in Richtung des Auspuffs, das heißt zu dem Vorvakuum, transportiert, um dort aus der Turbomolekularpumpe 100 auszutreten. Dabei kommt es durch die extrem schnelle Rotation der Rotorelemente 108 zu einer starken Wärmeentwicklung. Aufgrund des niedrigen Vakuums im Inneren der Turbomolekularpumpe 100 sind aber die Wärmeableitungseigenschaften und -fähigkeiten stark eingeschränkt. Um die Wärmeabfuhr zu unterstützen und somit ein unerwünschtes Überhitzen von Lagern und anderen Komponenten der Turbomolekularpumpe 100 zu verhindern, sind die Oberflächen der Statorelemente 106 mit Titanoxid beschichtet.
Letzteres ist in einem Detail 130 in 1 klarer dargestellt, dem zu entnehmen ist, dass die Statorelemente 106 einen Statorelementkern 112 aus einer Aluminiumlegierung aufweisen, der von einer zum Beispiel 8 µm dicken Titandioxidschicht (TiO₂) als Oberflächenbeschichtung 114 umhüllt sind. Durch die Titandioxidschicht als Oberflächenbeschichtung 114 wird der Emissionsgrad der Statorelemente 106 signifikant erhöht, was zu einem besseren Wärmeaustausch und somit einer besseren Wärmeabfuhr während des Betriebs der Turbomolekularpumpe 100 führt. Dies schont die Lager und andere thermisch sensiblen Komponenten der Turbomolekularpumpe 100 und erhöht somit deren Lebensdauer.
Die Rotorelemente 108 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Kompositmaterial aus PEEK und Karbonfasern gebildet und können alternativ aus einem Metall mit einer Titandioxidbeschichtung versehen sein. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung des Strahlungsvermögens. Ein Sandstrahlen der Rotorelemente 108 ist bei der Turbomolekularpumpe 100 zwar möglich, aber nicht notwendig.
1 zeigt die Statorelemente 106 der Turbomolekularpumpe, welche die unterschiedlichen Pumpstufen bilden. Diese Statorelemente 106 sind mit einer dünnen Schicht aus Titandioxid beschichtet, welche die Oberflächenbeschichtung 114 bilden. Diese Oberflächenbeschichtung aus Titandioxid kann mittels eines galvanischen Bades erzeugt werden, wobei die Dicke der Oberflächenbeschichtung 114 einfach und präzise durch die Eintauchzeit gesteuert werden kann. Die Kontaktbereiche zwischen benachbarten Statorelementen 106 sowie zwischen Statorelementen 106 und dem Pumpengehäuse 104 können vorzugsweise von einer Beschichtung durch Titanoxid frei bleiben, um die guten Wärmeaustauscheigenschaften des Grundmaterials bzw. Kerns 112 der Statorelemente 106 aus Aluminiumlegierung aufrechtzuerhalten. Da Titandioxid eine nur moderate thermische Leitfähigkeit gegenüber unbehandeltem Aluminium hat, können durch Weglassen der Beschichtung auf Teilen der Statorelemente 106 eine bereichsweise Erhöhung des Emissionsgrads mit einer bereichsweisen Erzielung einer guten thermischen Leitfähigkeit kombiniert werden. Die Erhöhung der Wärmestrahlung kann optimiert werden, wenn auch die Rotoroberfläche mit einem hohen Strahlungsvermögen ausgestattet wird. Aus diesem Grund kann die Beschichtungsbehandlung auch auf die Rotorelemente 108 angewendet werden.
Um die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Beschichtung experimentell zu belegen, ist die Behandlung auf Probekörper angewendet worden, um deren Emissionsgrad zu messen. Zum Vergleich sind auch unbehandelte Proben und sandgestrahlte Proben vermessen worden.
2 zeigt eine Vorform eines unbehandelten halbkreisringförmigen Statorelements, der quasi dem Statorkern 112 gemäß 1 entspricht.
Dagegen zeigt 3 ein mit Titandioxid beschichtetes halbkreisringförmiges Statorelement 106, das den Statorkern 112 aufweist, der von einer Oberflächenbeschichtung 114 aus Titandioxid überzogen ist.
2 und 3 zeigen somit unbehandelte bzw. Titandioxid beschichtete Statorelemente 106. Die unbehandelten Proben sind hell, wohingegen die beschichteten dunkler und undurchsichtig sind. Diese Proben sind hinsichtlich ihres Strahlungsvermögens mit dem folgenden Verfahren untersucht worden:

1. Die Probe wird mit einem Heizring aufgeheizt, bis sie eine gewünschte Temperatur erreicht hat.
2. Die Temperatur der Probe wird simultan mit einer Infrarotkamera und mit einem Doppelthermoelement (thermocouple) gemessen, das in einem Bohrloch nahe der Oberfläche befindlich ist.
3. Das Emissionsvermögen wird mit der Steuersoftware der Infrarotkamera berechnet, wobei die beiden gemessenen Temperaturen als Eingabewerte verwendet werden.

Die Ergebnisse der Messung des Emissionsgrades sind in 4 gezeigt. 4 zeigt ein Diagramm 400 mit einer Ordinate 440, entlang welcher der Emissionsgrad gezeichnet ist. Entlang einer Abszisse 420 sind die Messergebnisse für unterschiedliche Proben dargestellt. Für jede dieser Proben wurde ein maximaler Wert Eps max und ein minimaler Wert Eps min für das Emissionsvermögen sowie ein Mittelwert Eps Mittel ermittelt. Bezugszeichen 402 bezeichnet ein Statorelement ohne Behandlung, Bezugszeichen 404 bezeichnet ein sandgestrahltes Statorelement, Bezugszeichen 406 bezeichnet ein mit einer Titandioxidschicht versehenes Statorelement mit einer Schichtdicke von 5 µm, Bezugszeichen 408 bezeichnet ein mit einer Titandioxidschicht versehenes Statorelement mit einer Schichtdicke von 7,5 µm, Bezugszeichen 410 bezeichnet ein mit einer Titandioxidschicht versehenes Statorelement mit einer Schichtdicke von 10 µm und Bezugszeichen 412 bezeichnet ein Statorelement, das aus Titandioxid insgesamt besteht. 4 ist klar zu entnehmen, dass die erfindungsgemäß behandelten Statorelemente 406, 408, 410, 412 einen wesentlich besseren Emissionsgrad zeigen als die herkömmlichen Statorelemente 402, 404.
4 zeigt somit die Ergebnisse der Emissionsgradmessungen und dokumentiert eine evidente Erhöhung des Emissionsvermögens bei den erfindungsgemäß behandelten Proben. Die unbeschichteten Proben haben ein durchschnittliches Emissionsvermögen von 0,147, wohingegen die beschichteten Proben ein mittleres Emissionsvermögen von 0,904 haben, d.h. mehr als das sechsfache.
Um die Abhängigkeit des Emissionsvermögens von der Oberflächentemperatur zu messen, wurde das Emissionsvermögen einer Probe mit einer 10 µm dickten Titandioxidbeschichtung für einen Temperaturbereich vermessen, der für typische Betriebsbedingungen von Turbomolekularpumpen charakteristisch ist. Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt.
5 zeigt ein Diagramm 500 mit einer Abszisse 502, entlang welcher die Messtemperatur in Grad Celsius dargestellt ist. Entlang einer Ordinate 504 ist der Emissionsgrad bei der jeweiligen Temperatur dargestellt. 5 zeigt, dass die Abhängigkeit des Emissionsgrads von der Temperatur sehr gering ist. In dem gesamten Temperaturbereich verringert sich der Emissionsgrad von einem Maximum von ungefähr 0,94 auf ein Minimum von ungefähr 0,91, mit einer relativen Veränderung von nur ca. 3%.
6 zeigt einen Querschnitt einer Turbomolekularpumpe 100 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. 6 zeigt im Detail, wie ein Rotor 610 durch ein Antriebselement 612 angetrieben werden kann, um die Rotorelemente 108 in Rotation zu versetzen. Die Rotorelemente 108 sind an einer zentralen Welle 120 starr angebracht.
Ein erstes Detail 650 in 6 zeigt, wie die Statorelemente 106 an die Gehäusewand 104 angeschlossen sind. Während ein gehäuseferner Bereich der Statorelemente 106 einen Statorkern 112 mit einer Beschichtung 114 zeigt, ist ein gehäusenaher Bereich des Statorelements 106 unbeschichtet, wie mit Bezugszeichen 604 veranschaulicht ist. Dadurch kann an dieser Stelle die thermische Leitfähigkeit hoch gehalten werden.
6 zeigt ein anderes Detail 670, in dem gezeigt ist, dass auch die Rotorelemente 108 einen Rotorkern 600 und eine Rotorbeschichtung 602 aufweisen. Der Rotorkern 600 kann zum Beispiel ein Komposit oder ein Metall enthalten, wohingegen die Beschichtung 602 wiederum eine Titandioxidbeschichtung sein kann.
Das abgepumpte Gas gelangt in einen Auspuff, wie in 6 mit Bezugszeichen 606 gezeigt ist.
Wie in 6 gezeigt ist, weist die Turbomolekularpumpen 100 einen Statorblock (mit den Statorelementen 106) und einem Rotorblock (mit den Rotorelementen 108) auf. Jedes dadurch gebildete Schaufelringpaar bildet eine sogenannte Stufe, sodass die gesamte Turbomolekularpumpe 100 aus einer Vielzahl hintereinander geschalteter Stufen besteht. Der Rotorblock dreht sich mit einer sehr hohen Geschwindigkeit (zum Beispiel einige 10.000 Umdrehungen/Minute). Das abzupumpende Gas gelangt durch eine Öffnung 672 eines Ansaugflansches 674 direkt in die obersten Saugstufen. Dort erhalten die einzelnen abzupumpenden Gasteilchen durch Zusammenstöße mit den schnellbewegten Flächen des Rotorblocks einen Impuls in Förderrichtung (nach unten). Das eingefangene Gas wird in den etwas weiter unten liegenden Kompressionsstufen verdichtet und dann von einer Vorvakuumpumpe entfernt.
Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0799999 [0005]
EP 1340918 [0005]
US 5350275 [0005]
JP 3792318 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

“Turbomolecular pump with an ultimate pressure of 10–12 Torr”, J. Vac. Sci. Technol. A 12, 1695 (1994) [0004]

Claims

Turbomolekularpumpe (100) zum Erzeugen eines Vakuums in einem zu evakuierenden Raum (102), wobei die Turbomolekularpumpe (100) aufweist: ein Pumpengehäuse (104) mit einem Anschluss zum Anschließen an den zu evakuierenden Raum (102); eine Mehrzahl von Statorelementen (106), die statisch im Inneren des Pumpengehäuses (104) angeordnet sind; eine Mehrzahl von Rotorelementen (108), die rotierbar im Inneren des Pumpengehäuses (104) angeordnet sind; wobei die Statorelemente (106) und die Rotorelemente (108) alternierend angeordnet sind, so dass aus dem zu evakuierenden Raum (102) abzupumpendes Medium entlang von Zwischenräumen (110) zwischen den Statorelementen (106) und den Rotorelementen (108) abführbar ist; wobei zumindest ein Teil der Oberfläche von zumindest einem Teil der Statorelemente (106) und/oder Rotorelemente (108) Metalloxid aufweist.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der Statorelemente (106) einen Statorelementkern (112) und eine Oberflächenbeschichtung (114) aus dem Metalloxid aufweist, die zumindest einen Teil des Statorelementkerns (112) bedeckt.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß Anspruch 2, wobei die Oberflächenbeschichtung (114) eine Dicke in einem Bereich zwischen 1 µm und 20 µm hat, insbesondere zwischen 5 µm und 10 µm.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Statorelementkern (112) aus einem Metall, insbesondere aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung, gebildet ist.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der Statorelemente (106) als Vollkörper aus dem Metalloxid ausgebildet ist.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest ein Teil der Rotorelemente (108) einen Rotorelementkern (600) und eine Oberflächenbeschichtung (602) aus dem Metalloxid aufweist, die zumindest einen Teil des Rotorelementkerns (600) bedeckt.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß Anspruch 6, wobei der Rotorelementkern (600) aus einem Kompositmaterial oder einem Metall, insbesondere einer Aluminiumlegierung, gebildet ist.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest ein Teil der Oberfläche von zumindest einem Teil der Rotorelemente (108) mittels Sandstrahlens behandelt ist.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Metalloxid ein Oxid aus der Titangruppe, insbesondere Titanoxid, ist.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Metalloxid einen Emissionsgrad von mindestens 0,4, insbesondere von mindestens 0,8, aufweist.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Kontaktbereich zwischen einander kontaktierenden Statorelementen (106) und/oder ein Kontaktbereich (604) zwischen zumindest einem der Statorelemente (106) und dem Pumpengehäuse (104) von dem Metalloxid frei ist oder sind.
Turbomolekularpumpe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Statorelemente (106) als Kreisringsscheiben ausgebildet sind.
Verfahren zum Herstellen einer Turbomolekularpumpe (100) zum Erzeugen eines Vakuums in einem zu evakuierenden Raum (102), wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden eines Pumpengehäuses (104) mit einem Anschluss zum Anschließen an den zu evakuierenden Raum (102); statisches Anordnen einer Mehrzahl von Statorelementen (106) und rotierfähiges Anordnen einer Mehrzahl von Rotorelementen (108) im Inneren des Pumpengehäuses (104) in einer derart alternierenden Abfolge, dass aus dem zu evakuierenden Raum (102) abzupumpendes Medium entlang von Zwischenräumen (110) zwischen den Statorelementen (106) und den Rotorelementen (108) abführbar ist; Vorsehen von zumindest einem Teil der Oberfläche von zumindest einem Teil der Statorelemente (106) und/oder Rotorelemente (108) aus Metalloxid.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Metalloxid als Beschichtung (114) auf zumindest einen Teil der Oberfläche eines Kerns (112, 600) eines jeweiligen der Statorelemente (106) und/oder Rotorelemente (108) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Beschichtung (114) aus Metalloxid mittels eines galvanischen Bads auf den Kern (112, 600) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei eine Dicke der Beschichtung (114) mittels Einstellens der Eintauchzeit des Kerns (112, 600) in das galvanische Bad gesteuert wird.