DE102021002290A1

DE102021002290A1 - Method and device for influencing rarefied gas flows with the aid of surfaces having roughness, in particular on vacuum pumps, MEMS

Info

Publication number: DE102021002290A1
Application number: DE102021002290.4A
Authority: DE
Inventors: Heiko Pleskun; Andreas Brümmer
Original assignee: Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-11-03

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Beeinflussung verdünnter Gasströmungen mit Hilfe von Rauheiten aufweisenden Oberflächen (2, 2'), insbesondere bei Vakuumpumpen, MEMS oder dgl. Strömungsanwendungen, bei dem die verdünnte Gasströmung zwischen sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen (2, 2') hindurch geleitet wird. Hierbei führen die sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen (2, 2') eine Relativbewegung zueinander aus, wobei im Bereich der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen (2, 2') eine gezielte Strukturierung mit regelmäßig angeordneten und/oder sich regelmäßig wiederholenden Strukturelementen (5) zumindest von Teilflächen der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen (2, 2') vorgesehen wird, und die Strukturelemente (5) mit ihnen kollidierende Teilchen der verdünnten Gasströmung bevorzugt entgegen der Strömungsrichtung der verdünnten Gasströmung reflektieren und dadurch den Massenstrom der verdünnten Gasströmung durch den Bereich zwischen den sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen (2, 2') reduzieren.The invention describes a method for influencing diluted gas flows with the aid of surfaces (2, 2') having roughness, in particular in vacuum pumps, MEMS or similar flow applications, in which the diluted gas flow passes between closely adjacent opposite surfaces (2, 2'). is directed. In this case, the surfaces (2, 2') lying closely adjacent to one another move relative to one another, with targeted structuring with regularly arranged and/or regularly repeating structural elements (5) being created in the area of the closely adjacent surfaces (2, 2') lying opposite one another. at least partial areas of the closely adjacent opposite surfaces (2, 2'), and the structural elements (5) preferably reflect particles of the diluted gas flow colliding with them against the direction of flow of the diluted gas flow and thereby the mass flow of the diluted gas flow through the area between the closely adjacent opposite surfaces (2, 2').

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung verdünnter Gasströmungen mit Hilfe von Rauheiten aufweisenden Oberflächen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 9.The invention relates to a method for influencing rarefied gas flows with the aid of surfaces having roughness according to the preamble of claim 1 and a corresponding device according to the preamble of claim 9.

Die Verarbeitung hochverdünnter Gase und Gasströmungen ist ein Bereich, der technisch zunehmende Bedeutung erlangt und in verschiedenen technischen Anwendungen vorkommt. So ist beispielsweise im Bereich der Vakuumerzeugung und -anwendung ein häufig vorkommendes Problem, ein Vakuum technisch effektiv und wirtschaftlich zu erzeugen, wofür je nach Güte des herzustellenden Vakuums unterschiedliche Pumpenarten verwendet werden.The processing of highly diluted gases and gas flows is an area that is gaining increasing technical importance and occurs in various technical applications. For example, in the field of vacuum generation and application, a frequently occurring problem is how to generate a vacuum technically effectively and economically, for which purpose different types of pumps are used depending on the quality of the vacuum to be generated.

Das Verhalten derartiger Gase und Gasströmungen ist von zentraler Bedeutung für die Zuverlässigkeit und Qualität der Verarbeitung der Gasströme in Vakuumpumpen, MEMS oder dgl. Anwendungen.The behavior of such gases and gas flows is of central importance for the reliability and quality of the processing of the gas flows in vacuum pumps, MEMS or similar applications.

Die wichtigste Kennzahl zur Charakterisierung von verdünnten Gasströmungen ist die sog. Knudsenzahl, $K n = \frac{\bar{l}}{l_{c h a r}} = \frac{\sqrt{π}}{2 δ},$

die das Verhältnis der mittleren freien Weglänge von Molekülen zu einer charakteristischen Geometriegröße bildet. Die mittlere freie Weglänge ist die Länge, die ein Molekül (Teilchen) im Mittel zurücklegt, bis es mit einem anderen Molekül kollidiert. Setzt man diese bei einer Durchströmung ins Verhältnis zu der Spalthöhe, kann man anhand der Knudsenzahl ablesen, wie das Verhältnis von Teilchen-Teilchen- zur Teilchen-Wand-Interaktionen ist. Ab einer Knudsenzahl von ungefähr Kn > 0,01 ändert sich dadurch das Verhalten der Strömung und die Teilchen-Wand-Interaktion gewinnt zunehmend an Bedeutung. Alternativ wird häufig der Gasverdünnungsparameter

δ = \frac{l_{c h a r} \cdot p}{μ \sqrt{2 R T}}

verwendet, wobei p der statische Druck, µ die dynamische Viskosität des Fluids, R die spezifische Gaskonstante und T die Temperatur des Fluids darstellt. Die Teilchen-Wand-Interaktion hat dementsprechend entweder einen großen Einfluss auf die Strömung, wenn der Druck gering ist (wie z.B. bei Vakuumpumpen oder Strömungen im Weltraum) oder die geometrischen Abmaße gering sind (ebenfalls Spalte in Vakuumpumpen, aber auch nahe Umgebungsdruck in Mikroelektroniksystemen (MEMS)).The most important index for characterizing rarefied gas flows is the so-called Knudsen number,

K n = \frac{\bar{l}}{l_{c H a right}} = \frac{\sqrt{π}}{2 δ},

which forms the ratio of the mean free path length of molecules to a characteristic geometry variable. The mean free path is the average distance that a molecule (particle) travels before it collides with another molecule. If this is related to the gap height during flow, the Knudsen number can be used to determine the ratio of particle-particle to particle-wall interactions. From a Knudsen number of about Kn > 0.01, the behavior of the flow changes and the particle-wall interaction becomes increasingly important. Alternatively, the gas dilution parameter is often used

δ = \frac{l_{c H a right} \cdot p}{µ \sqrt{2 R T}}

where p is the static pressure, µ is the dynamic viscosity of the fluid, R is the specific gas constant and T is the temperature of the fluid. Accordingly, the particle-wall interaction either has a major influence on the flow when the pressure is low (e.g. in vacuum pumps or flows in space) or the geometric dimensions are small (also gaps in vacuum pumps, but also near ambient pressure in microelectronic systems ( MEMS)).

Für die Beschreibung von Teilchen-Wand-Interaktionen gibt es zwei grundsätzliche Modellvorstellungen:

• Die spiegelnde Reflexion: Einfallswinkel = Ausfallswinkel unter Beibehaltung von Impuls und Energie vor- und nach der Reflexion,
• Die diffuse Streuung: Das Teilchen 1 verweilt lange genug an einer Oberfläche 2, um einen vollständigen Energieaustausch zu vollziehen und wird zufällig in irgendeine Richtung 4 gestreut, welche im Mittel normal zur Wand ist. Der Betrag der Geschwindigkeit wird im Mittel durch die Temperatur der Oberfläche 2 plus der überlagerten Wandgeschwindigkeit bestimmt (1), hierbei ist die Richtung 4 abhängig von der Geschwindigkeit 3 der Bewegung der Oberfläche 2.

There are two basic models for describing particle-wall interactions:

• The specular reflection: angle of incidence = angle of reflection while maintaining momentum and energy before and after reflection,
• The diffuse scattering: The particle 1 stays on a surface 2 long enough to carry out a complete energy exchange and is randomly scattered in some direction 4, which on average is normal to the wall. The magnitude of the velocity is determined on average by the temperature of surface 2 plus the superimposed wall velocity ( 1 ), where the direction 4 depends on the speed 3 of the movement of the surface 2.

Die Wahrheit liegt bei technisch glatten Wänden zwischen den beiden Modellvorstellungen, wodurch in praktischen Anwendungen ein Teil der Teilchen spiegelnd und ein anderer Teil diffus gestreut wird. Bei vielen technischen Anwendungen ist die rein diffuse Streuung eine gute Annahme. Bei einer Durchströmung wird der durchgesetzte Massenstrom im Rahmen der Modellvorstellung für eine diffuse Wandstreuung minimal und steigt, je größer der Anteil spiegelnd reflektierter Teilchen ist. In der Vergangenheit haben Messungen gezeigt, dass der tatsächliche Massenstrom teilweise geringer ist, als mit dem Modell der diffusen Wandstreuung erklärt werden kann. Eine Erklärung dafür ist eine technisch nicht glatte Wand, bei der das Teilchen eine größere Wahrscheinlichkeit hat, in die entgegengesetzte Richtung zurückgestreut zu werden.In the case of technically smooth walls, the truth lies between the two models, which means that in practical applications some of the particles are specular and others are diffusely scattered. In many technical applications, purely diffuse scattering is a good assumption. In the case of a flow through, the mass flow through is minimal within the framework of the model for diffuse wall scattering and increases the larger the proportion of specularly reflected particles is. Measurements in the past have shown that the actual mass flow is sometimes lower than can be explained by the diffuse wall scattering model. One explanation for this is a technically non-smooth wall, where the particle has a greater chance of being backscattered in the opposite direction.

Dazu führte Oleg Sazhin (Sazhin, O.: Rarefied gas flow through a rough channel into a vacuum, Microfluidics and Nanofluidics 2020) Simulationen mithilfe der DSMC-Methode (Direct simulation Monte Carlo) für eine druckgetriebene Strömung zwischen zwei Druckreservoirs durch, bei der die Wand ein Sägezahnprofil aufweist. Er kam zu dem Ergebnis, dass der durchgesetzte Massenstrom dadurch in Abhängigkeit der Knudsenzahl (bzw. des Gasverdünnungsparameters) und des Profilwinkels verringert wird. Je nach Länge der durchströmten Geometrie liegt die Massenstromeinsparung bei bis zu 25%, Tendenz steigend, je länger die durchströmte Geometrie ist und je niedriger der Druck (2). Eine relativ bewegte Wand oder dgl. wird hier nicht betrachtet.For this purpose, Oleg Sazhin (Sazhin, O.: Rarefied gas flow through a rough channel into a vacuum, Microfluidics and Nanofluidics 2020) performed simulations using the DSMC method (Direct simulation Monte Carlo) for a pressure-driven flow between two pressure reservoirs, in which the Wall has a sawtooth profile. He came to the conclusion that the throughput mass flow is thereby reduced as a function of the Knudsen number (or the gas dilution parameter) and the profile angle. Depending on the length of the flow geometry, the mass flow saving is up to 25%, with an increasing tendency the longer the flow geometry is and the lower the pressure ( 2 ). A relatively moving wall or the like is not considered here.

In Sawada et al.: „Effect of blade-surface-roughness on the pumping performance of a turbomolecular pump“ aus Journal Vacuum Scientific Technology A 23(6), November/December 2005 wird beschrieben, wie sich Oberflächenrauigkeiten an nachträglich beschichteten Funktionsflächen von Turbomolekularpumpen auswirken. Hierbei wurde festgestellt, dass sich ein etwas höheres Verdichtungsverhältnis erreichen lässt, wenn die Beschichtung der Funktionsflächen stochastisch verteilte Rauheiten aufweist. 2014 veröffentlichten Dreifert und Müller auf der International Conference on Screw Machines ein Benchmark-Paper zu Schraubenvakuumpumpen (hierzu 3a (aus Huck, C.; Nadler, K.; Brümmer, A.: Schraubenmaschinen als Vakuumpumpen - Einfluss geometrischer Parameter auf das Betriebsverhalten. In Prozesstechnik Chemie & more, succidia AG Verlag & Kommunikation; Nr. 06.13, S. 16-19 (ISSN 2191-3803))., 3b (aus „Wärmehaushalt von Schraubenspindel-Vakuumpumpen“, Dissertation von Andreas Rohe, Universität Dortmund, 2004) und 3c). Diese bestehen aus zwei Rotoren mit einem konstanten Stirnschnittprofil, das in Achsrichtung gegenseitig verwunden ist, sodass sich mit dem umschließenden Gehäuse gekapselte Arbeitskammern ausbilden, welche sich über die Rotation und die Profilsteigung in Achsrichtung bewegen und damit Gas von der Niederdruck- zur Hochdruckseite transportieren. Durch betriebsbedingte Spalte entsteht ein für das Betriebsverhalten schädlicher Massenstrom in die entgegengesetzte Richtung, wodurch der effektiv geförderte Massenstrom reduziert wird. Schematisch dargestellt bestehen diese Spalte gemäß 3b aus dem Gehäusespalt zwischen Rotor und Gehäuse und den Spalten zwischen den beiden Rotoren, dem Radialspalt, dem Profileingriffsspalt, und dem Blasloch. Dabei verändert sich der Spaltmassenstrom nahezu linear mit der Spalthöhe - also dem minimalen Abstand zwischen den Bauteilen.Sawada et al.: "Effect of blade-surface-roughness on the pumping performance of a turbomolecular pump" from Journal Vacuum Scientific Technology A 23(6), November/December 2005 describes how surface roughness on subsequently coated functional surfaces of Impact turbomolecular pumps. It was found that a somewhat higher compression ratio can be achieved if the coating of the functional surfaces has stochastically distributed roughness. In 2014 Dreifert and Müller published a benchmark paper on screw vacuum pumps at the International Conference on Screw Machines (see here 3a (from Huck, C.; Nadler, K.; Brümmer, A.: Screw machines as vacuum pumps - influence of geometric parameters on the operating behavior. In Process Technology Chemistry & more, succidia AG Verlag &Kommunikation; No. 06.13, pp. 16-19 ( ISSN 2191-3803))., 3b (from "Heat balance of screw spindle vacuum pumps", dissertation by Andreas Rohe, University of Dortmund, 2004) and 3c ). These consist of two rotors with a constant front section profile, which is twisted in the axial direction so that encapsulated working chambers are formed with the enclosing housing, which move in the axial direction via the rotation and the profile pitch and thus transport gas from the low-pressure to the high-pressure side. Operational gaps result in a mass flow in the opposite direction that is detrimental to the operating behavior, which reduces the effectively pumped mass flow. Schematically shown, these columns exist according to 3b from the housing gap between rotor and housing and the gaps between the two rotors, the radial gap, the profile engagement gap, and the blowhole. The gap mass flow changes almost linearly with the gap height - i.e. the minimum distance between the components.

Die charakteristische Kennlinie, mit der das Betriebsverhalten solcher Maschinen beschrieben werden kann, ist die sog. Saugvermögenskurve (3c), die den effektiven Massenstrom bezogen auf die Ansaugdichte als Funktion des Ansaugdrucks darstellt. Dabei haben Dreifert und Müller gezeigt, dass schon eine Verringerung der Gehäusespalthöhe um 10 % (entspricht ca. 10% reduzierten Spaltmassenstrom) die Saugvermögenskurve signifikant verändert, womit der erreichbare Enddruck (niedrigster Druck, auf den ein Volumen mit dieser Vakuumpumpe evakuiert werden kann) um etwa eine Dekade verringert wird.The characteristic curve with which the operating behavior of such machines can be described is the so-called pumping speed curve ( 3c ), which represents the effective mass flow related to the intake density as a function of the intake pressure. Dreifert and Müller have shown that a reduction in the housing gap height of just 10% (corresponds to approx. 10% reduced gap mass flow) significantly changes the pumping speed curve, which means that the achievable ultimate pressure (lowest pressure to which a volume can be evacuated with this vacuum pump) by about a decade is reduced.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gezielte Beeinflussung der Strömung von Gasen und insbesondere von verdünnten Gasen zu erreichen, die in spaltförmigen Strömungsbereichen in Wechselwirkung mit relativ bewegten Oberflächenabschnitten insbesondere für Vakuumanwendungen treten.The aim of the present invention is therefore to achieve a targeted influencing of the flow of gases and in particular of diluted gases, which interact in gap-shaped flow areas with relatively moving surface sections, in particular for vacuum applications.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 9 jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the object of the invention with regard to the method results from the characterizing features of claim 1 and with regard to the device from the characterizing features of claim 9, each in conjunction with the features of the associated preamble. Further advantageous configurations of the invention result from the dependent claims.

Die Erfindung hinsichtlich des Verfahrens geht aus von einem Verfahren zur Beeinflussung verdünnter Gasströmungen mit Hilfe von Rauheiten aufweisenden Oberflächen, insbesondere bei Vakuumpumpen, MEMS oder dgl. Strömungsanwendungen, bei dem die verdünnte Gasströmung zwischen sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen hindurch geleitet wird. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass die sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen eine Relativbewegung zueinander ausführen, im Bereich der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen eine gezielte Strukturierung mit regelmäßig angeordneten und/oder sich regelmäßig wiederholenden Strukturelementen zumindest von Teilflächen an mindestens einer der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen vorgesehen wird, und die Strukturelemente mit ihnen kollidierende Teilchen der verdünnten Gasströmung bevorzugt entgegen der Strömungsrichtung der verdünnten Gasströmung reflektieren und dadurch den Massenstrom der verdünnten Gasströmung durch den Bereich zwischen den sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen reduzieren.The invention with regard to the method is based on a method for influencing diluted gas flows with the aid of surfaces having roughness, in particular in vacuum pumps, MEMS or similar flow applications, in which the diluted gas flow is passed between closely adjacent opposite surfaces. Such a generic method is further developed according to the invention in that the closely adjacent opposite surfaces perform a relative movement to one another, in the area of the closely adjacent opposite surfaces a targeted structuring with regularly arranged and/or regularly repeating structural elements at least of partial surfaces one of the closely spaced opposing surfaces, and the structural elements preferentially reflect particles of the diluted gas flow colliding with them counter to the direction of flow of the diluted gas flow, thereby reducing the mass flow rate of the diluted gas flow through the region between the closely spaced opposing surfaces.

Durch die zumindest an Teilen von mindestens einer der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen angeordneten Strukturelemente wird dafür gesorgt, dass mit diesen Strukturelementen wechselwirkende Teilchen der verdünnten Gasströmung zu einem signifikanten Anteil auf eine ganz bestimmte Weise bezogen auf die Strömungsrichtung der verdünnten Gasströmung wieder abgegeben werden, nachdem sie mit den Strukturelementen gewechselwirkt haben. Hierbei ist das Verhalten der Teilchen hinsichtlich der Effektivität der angestrebten Wechselwirkung so zu verstehen, dass nicht unbedingt alle Teilchen das gleiche erwünschte Verhalten aufweisen müssen und können, sondern ein bestimmter, deutlich merkbarer Anteil der Teilchen das gewünschte Verhalten aufweisen, wenn sie mit den Strukturelementen gewechselwirkt haben. Es wird auch immer einen Anteil der Teilchen geben, die mit den Strukturelementen gewechselwirkt haben, die ein anderes, nicht so vorteilhaftes Verhalten aufweisen, also anschaulich gesprochen in eine andere als die gewünschte Richtung reflektiert werden. Trotzdem wird durch die geeignete Formgebung und maßliche Ausgestaltung der Strukturelemente dafür gesorgt, dass sich der Anteil wunschgemäß abgegebener Teilchen der verdünnten Gasströmung deutlich gegenüber der Ausgestaltung ohne derartige Strukturelemente, also z.B. mit glatten Oberflächen oder mit Oberflächen mit stochastisch verteilten Oberflächenstrukturen, erhöht und dadurch z.B. der Massenstrom der Teilchen der verdünnten Gasströmung, die den Bereich der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen pro Zeiteinheit passieren können, verringert wird. Dies ist beispielsweise in Anwendungen der Vakuumtechnik interessant, da hierdurch der Aufbau eines Vakuums verbessert und beschleunigt werden kann. Hierbei kommt der vorteilhafte Effekt der Beeinflussung der verdünnten Gasströmung vornehmlich dadurch zustande, dass die Schubspannungen auf die Teilchen an der Oberfläche beeinflusst werden.The structural elements arranged at least on parts of at least one of the closely adjacent opposite surfaces ensure that particles of the diluted gas flow interacting with these structural elements are released again to a significant extent in a very specific way in relation to the flow direction of the diluted gas flow after they have interacted with the structural elements. The behavior of the particles with regard to the effectiveness of the desired interaction is to be understood in such a way that not all particles necessarily have to and can have the same desired behavior, but a certain, clearly noticeable proportion of the particles show the desired behavior when they interact with the structural elements to have. There will always be a proportion of the particles that have interacted with the structural elements that show a different, less advantageous behavior, i.e., to put it bluntly, are reflected in a direction other than the desired one. Nevertheless, the appropriate shape and dimensional configuration of the structural elements ensures that the proportion of particles of the diluted gas flow that are released as desired is significantly higher than in the configuration without such structural elements, ie, for example, with smooth surfaces or with surfaces with stochastically distributed surface structures, and thereby, for example, the mass flow of the particles of the diluted gas flow, which can pass the area of the closely adjacent opposite surfaces per unit of time, is reduced. This is of interest, for example, in vacuum technology applications, since this can improve and accelerate the build-up of a vacuum. In this case, the advantageous effect of influencing the diluted gas flow comes about primarily because the shear stresses on the particles on the surface are influenced.

Der den Bereich zwischen den sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen anschaulich ausgedrückt zusätzlich abdichtende Effekt der Strukturelemente wird aufgrund der Relativbewegung zwischen den sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen weiter verstärkt. Die Relativbewegung der Oberflächen zueinander übt eine zusätzliche Kraft auf die Teilchen der verdünnten Gasströmung aus, wodurch der Geschwindigkeitsvektor der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen mit dem Geschwindigkeitsvektor des Teilchens nach Verlassen der Oberflächen addiert wird. Bei einer in eine Richtung bewegten, strukturierten Berandung durch die Strukturelemente hat ein Teilchen mit einem Inzidenzvektor in Richtung der bewegten Berandung, das abhängig von seiner Bewegungsrichtung gegen die Strukturelemente fliegt, eine geringere Wahrscheinlichkeit, mehrfach mit den Strukturelementen zu interagieren, als wenn die Oberfläche nicht bewegt würde. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen in Richtung entgegen der Relativbewegung der Oberfläche reflektiert wird. Ein Teilchen, dass aus der anderen Richtung kommend gegen die Strukturelemente fliegt, bekommt ebenfalls eine mittlere Wahrscheinlichkeit, zurückgestreut zu werden. Durch die Überlagerung mit der Relativgeschwindigkeit der Oberflächen steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen erneut mit den Strukturelementen interagiert und einen erneuten Richtungswechsel vollzieht. In Summe stellt sich damit ein deutlich höherer Anteil an Teilchen ein, die entgegen der Relativbewegung der Oberflächen gestreut werden, was wiederum zu einer Reduktion des Massenstroms der Teilchen in der verdünnten Gasströmung führt. Simulationen mithilfe der DSMC-Methode zeigen, dass für eine reine oberflächengetriebene Strömung der Massenstrom der Teilchen in der verdünnten Gasströmung je nach Randbedingung bei gleicher Spalthöhe um bis zu 50 % reduziert werden kann und dadurch die Bildung z.B. eines Vakuums verbessert wird.The additional sealing effect of the structural elements in the area between the closely adjacent opposite surfaces, to put it bluntly, is further intensified due to the relative movement between the closely adjacent opposite surfaces. The relative motion of the surfaces exerts an additional force on the particles of the rarefied gas flow, causing the velocity vector of the closely spaced opposing surfaces to be added to the velocity vector of the particle after it has left the surfaces. With a structured boundary moved in one direction by the structure elements, a particle with an incidence vector in the direction of the moved boundary, which flies against the structure elements depending on its direction of movement, has a lower probability of interacting multiple times with the structure elements than if the surface did not would be moved. This increases the probability that a particle will be reflected in the direction opposite to the relative movement of the surface. A particle that flies against the structural elements coming from the other direction also has a medium probability of being backscattered. However, the superposition of the relative speed of the surfaces increases the probability that the particle will interact with the structural elements again and change direction again. Overall, there is a significantly higher proportion of particles that are scattered against the relative movement of the surfaces, which in turn leads to a reduction in the mass flow of the particles in the diluted gas flow. Simulations using the DSMC method show that for a purely surface-driven flow, the mass flow of the particles in the diluted gas flow can be reduced by up to 50%, depending on the boundary conditions, with the same gap height, thereby improving the formation of a vacuum, for example.

Weiterer Vorteil der Strukturelemente kann sein, dass bei geeigneter Formgebung Teilchen, die entgegen der Hauptströmungsrichtung auf die Strukturelemente zufliegen, nach einer Kollision mit den Strukturelementen möglichst ihre Richtung beibehalten und dadurch die Bilanz des Massenstroms nicht verschlechtert wird. Darüber hinaus ist eine nutzbringende Anwendung der Strukturelemente grundsätzlich immer dann zu sehen, wenn verdünnten Gasströmungen eine veränderte Vorzugs-Strömungsrichtung im Vergleich zu einer technisch glatten Oberfläche aufgeprägt werden soll.A further advantage of the structural elements can be that, with a suitable shape, particles flying towards the structural elements against the main flow direction retain their direction as far as possible after a collision with the structural elements, and the balance of the mass flow is not impaired as a result. In addition, a useful application of the structural elements can always be seen when diluted gas flows are to be given a different preferred flow direction compared to a technically smooth surface.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Abmessungen der Strukturelemente wesentlich kleiner als die Abmessungen der Geometrie der durch-, um- oder überströmten Oberflächen, vorzugsweise in der Größenordnung der mittleren freien Weglänge, ausgebildet wird. Derartige, etwa im Bereich weniger Bruchteile von Millimetern Höhe (Abmessungen etwa im Bereich weniger Mikrometer) ausgebildeten Strukturelemente, verringern den Abstand des durchströmten Querschnitts zwischen den sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen nur wenig, haben aber aufgrund der geschilderten Wechselwirkung der Teilchen mit den Strukturelementen große Auswirkungen auf den Massenstrom und die Dichtwirkung des Querschnittes z.B. als Spaltquerschnitt an Vakuumpumpen.It is of particular advantage if the dimensions of the structural elements are designed to be significantly smaller than the dimensions of the geometry of the surfaces through which the flow passes, around or over them, preferably in the order of magnitude of the mean free path length. Structural elements of this type, which are a few fractions of a millimeter high (dimensions in the range of a few micrometers), only slightly reduce the distance of the flow cross section between the closely adjacent opposite surfaces, but have major effects due to the described interaction of the particles with the structural elements on the mass flow and the sealing effect of the cross section, e.g. as a gap cross section on vacuum pumps.

Hierbei ist es in weiterer Ausgestaltung denkbar, dass die Abmessungen und die Form der Strukturelemente die Teilchen der verdünnten Gasströmung derart beeinflussen, dass sich die Wahrscheinlichkeit stark erhöht, dass ein Teilchen in Richtung entgegen der Relativbewegung zwischen den sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen reflektiert wird. Die Flächen der Strukturelemente, die mit den Teilchen der verdünnten Gasströmung bevorzugt wechselwirken können, werden dabei so angeordnet und dimensioniert, dass ihr lokaler Normalenvektor passend entgegen der Richtung der Strömung der Teilchen der verdünnten Gasströmung gerichtet ist, so dass aus dieser Gasströmung austretende und mit den Strukturelementen wechselwirkende Teilchen zumindest mit einer wesentlichen Komponente entgegen dieser Strömungsrichtung zurück reflektiert werden. Dadurch wir ein nennenswerter Anteil der Teilchen der verdünnten Gasströmung vorerst an einem Durchtreten des Bereichs zwischen den sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen gehindert und nur eine geringere Anzahl von verbleibenden Teilchen der verdünnten Gasströmung durchtreten diesen Bereich. Hierdurch kommt es z.B. in Anwendungen zur Vakuumerzeugung wie etwa in Vakuumpumpen durch die Strukturelemente zu einer Erhöhung der Druckdifferenz in einer Stufe der Vakuumerzeugung und damit zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades.In a further embodiment, it is conceivable that the dimensions and the shape of the structural elements influence the particles of the diluted gas flow in such a way that the probability of a particle being reflected in the direction opposite to the relative movement between the closely adjacent opposite surfaces is greatly increased. The surfaces of the structural elements, which can preferentially interact with the particles of the diluted gas flow, are arranged and dimensioned in such a way that their local normal vector is appropriately directed against the direction of the flow of the particles of the diluted gas flow, so that emerging from this gas flow and with the Structural elements interacting particles are reflected back at least with a significant component against this direction of flow. As a result, an appreciable proportion of the particles of the diluted gas flow are initially prevented from passing through the area between the closely adjacent opposing surfaces and only a smaller number of the remaining particles of the diluted gas flow pass through this area. In applications for vacuum generation, such as in vacuum pumps, this results in an increase in the pressure difference in a stage of vacuum generation due to the structural elements and thus in an improvement in efficiency.

In einer anderen Ausgestaltung kann die verdünnte Gasströmung im Bereich der Strukturelemente aufweisenden, sich relativ zueinander bewegenden Oberfläche derart mit den Strukturelementen der Oberfläche wechselwirken, dass auf die Teilchen der verdünnten Gasströmung eine Vorzugs-Strömungsrichtung aufgeprägt wird. Dies kann z.B. dazu ausgenutzt werden, um etwa in Anwendungen zur Vakuumerzeugung Massenströme der verdünnten Gasströmung zu verringern und z.B. aus der Vakuumeinrichtung abzuführen. Dies ist etwa vorteilhaft bei Turbomolekularpumpen, bei denen der abgezweigte Teilmassenstrom gezielt zum Auslass der Pumpe geleitet werden kann.In another configuration, the diluted gas flow in the region of the surface having structural elements and moving relative to one another can interact with the structural elements of the surface in such a way that a preferred flow direction is imposed on the particles of the diluted gas flow. This can be used, for example, to reduce mass flows of the diluted gas flow in vacuum generation applications and, for example, to remove it from the vacuum device. This is advantageous, for example, in turbomolecular pumps, in which the branched-off partial mass flow can be directed to the outlet of the pump in a targeted manner.

Insbesondere ist es von Vorteil, dass erfindungsgemäß der Durchfluss der verdünnten Gasströmung zwischen den sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen durch die Strukturelemente reduziert wird, wodurch z.B. in Anwendungen zur Vakuumerzeugung die Vakuumerzeugung effektiver durchgeführt werden kann.In particular, it is advantageous that, according to the invention, the throughput of the diluted gas flow between the closely adjacent opposite surfaces is reduced by the structural elements, as a result of which vacuum generation can be carried out more effectively, e.g. in applications for vacuum generation.

Weiter von Vorteil kann es sein, dass der den Durchfluss der verdünnten Gasströmung verringernde Effekt der Strukturelemente sich in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit zwischen den sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen verändert, vorzugsweise mit zunehmender Relativgeschwindigkeit verstärkt. Hierdurch kann durch Erhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen den Oberflächen mit den Strukturelementen bei gleichbleibender geometrischer Ausgestaltung die Beeinflussung des durchgelassenen Massenstroms der Teilchen beeinflusst werden.It can also be advantageous that the effect of the structural elements, which reduces the flow of the diluted gas flow, changes as a function of the relative speed between the closely adjacent opposite surfaces, preferably increases with increasing relative speed. In this way, by increasing the relative speed between the surfaces with the structural elements while maintaining the same geometric configuration, the influencing of the mass flow of the particles that is let through can be influenced.

Von besonderem Vorteil ist es, dass für eine reine, durch die Relativbewegung zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen bedingte Gasströmung der Massenstrom bei gleichem Querschnitt des durchströmten Strömungsquerschnitts um bis zu 50 % gegenüber der Ausgestaltung mit glatten Oberflächen reduziert wird. Dies erlaubt aufgrund der Relativbewegung der Oberflächen zueinander eine deutliche Steigerung etwa der Vakuumerzeugung in einer Vakuumpumpe oder dgl.It is of particular advantage that for a pure gas flow caused by the relative movement between the opposing surfaces, the mass flow is reduced by up to 50% for the same cross-section of the flow cross-section through which the flow passes, compared to the configuration with smooth surfaces. Due to the relative movement of the surfaces to each other, this allows a significant increase in vacuum generation in a vacuum pump or the like.

Es ist in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung auch möglich, die Strukturelemente derart auszubilden, dass der Massenstrom der Teilchen der verdünnten Gasströmung bei gleichem Querschnitt des durchströmten Strömungsquerschnitts gegenüber der Ausgestaltung mit glatten Oberflächen erhöht wird. Eine Erhöhung eines Massenstroms durch eine strukturierte Oberfläche im Vergleich zu einer technisch glatten Oberfläche lässt sich beispielsweise erreichen für den Fall einer druckgetriebenen Strömung mit bewegter Berandung entgegen des Druckgradienten. Da die Wandbewegung in diesem Fall zu einer Verzögerung der druckgetriebenen Strömung führen würde, könnte eine strukturierte Oberfläche diesen Effekt verringern, indem Teilchen durch Mehrfachstreuung an der Oberfläche die Wand entgegen der Bewegungsrichtung der Wand verlassen und somit wiederum zur Erhöhung des Gesamtmassenstroms beitragen.In another embodiment of the invention, it is also possible to design the structural elements in such a way that the mass flow of the particles in the diluted gas flow is increased compared to the design with smooth surfaces for the same cross-section of the flow cross-section through which the gas flows. An increase in mass flow through a structured surface compared to a technically smooth surface can be achieved, for example, in the case of a pressure-driven flow with moving boundaries counter to the pressure gradient. Since the wall movement would in this case lead to a delay in the pressure-driven flow, a structured surface could reduce this effect, in that particles leave the wall against the direction of movement of the wall through multiple scattering and thus contribute to increasing the total mass flow.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Beeinflussung verdünnter Gasströmungen mit Hilfe von Rauheiten aufweisenden Oberflächen, insbesondere bei Vakuumpumpen, MEMS oder dgl. Strömungsanwendungen, bei dem die verdünnte Gasströmung zwischen sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen hindurch geleitet wird. Eine derartige Vorrichtung wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass Strukturelemente mit regelmäßig angeordneten und/oder sich regelmäßig wiederholenden Strukturen derart im Bereich der sich eng benachbart gegenüberliegenden, eine Relativbewegung zueinander ausführenden Oberflächen angeordnet und ausgebildet sind, dass die Strukturelemente mit ihnen kollidierende Teilchen der verdünnten Gasströmung bevorzugt entgegen der Strömungsrichtung zurück reflektieren und dadurch den Massenstrom der verdünnten Gasströmung durch den Bereich zwischen den sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen reduzieren. Die wesentlichen Vorteile der Vorrichtung sind vorstehend zu dem erfindungsgemäßen Verfahren schon erläutert und begründet worden, daher wird hierauf vollumfänglich Bezug genommen.The invention also relates to a device for influencing rarefied gas flows with the aid of surfaces having roughness, in particular in vacuum pumps, MEMS or similar flow applications, in which the rarefied gas flow is passed between closely adjacent, opposite surfaces. Such a device is further developed according to the invention in that structural elements with regularly arranged and/or regularly repeating structures are arranged and formed in the area of the closely adjacent opposite surfaces that execute a relative movement with respect to one another such that the structural elements collide with particles of the Diluted gas flow preferentially reflect back against the flow direction and thereby reduce the mass flow of the diluted gas flow through the area between the closely adjacent opposing surfaces. The main advantages of the device have already been explained and justified above for the method according to the invention, so reference is made to this in its entirety.

Von Vorteil ist es, wenn die Strukturelemente zumindest auf Teilflächen der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet sind. Hierdurch kann durch die Größe und Anordnung der mit den Strukturelementen versehenen Fläche der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen für eine angepasste Wechselwirkung der Strukturelemente mit den Teilchen der verdünnten Gasströmung gesorgt werden, durch die die vorstehend ausführlich beschriebenen vorteilhaften Wirkungen hervorgerufen werden.It is advantageous if the structural elements are arranged at least on partial areas of the closely adjacent opposite surfaces. As a result, the size and arrangement of the area provided with the structural elements of the closely adjacent opposite surfaces can ensure an adapted interaction of the structural elements with the particles of the diluted gas flow, which brings about the advantageous effects described in detail above.

Denkbar ist es hierbei insbesondere, symmetrische und/oder unsymmetrische Strukturelemente auf Teilflächen der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen anzuordnen. Derartige Strukturelemente können im einfachsten Fall regelmäßig verteilte, etwa kegelartige oder pyramidenartige Formen aufweisen. Es ist aber auch denkbar, die Strukturelemente wellenartig, turmartig oder auch aus Mischungen derartiger Formgebungen zu bilden, wenn diese Strukturelemente regelmäßige und/oder sich wiederholende Anordnungen bilden, die ein gleichartiges Wechselwirken mit den Teilchen der verdünnten Gasströmung gewährleisten.It is conceivable here in particular to arrange symmetrical and/or asymmetrical structural elements on sub-areas of the closely adjacent, opposite surfaces. In the simplest case, such structural elements can have regularly distributed, for example cone-like or pyramid-like shapes. However, it is also conceivable to form the structural elements in waves, towers or mixtures of such shapes if these structural elements form regular and/or repeating arrangements that ensure a similar interaction with the particles of the diluted gas flow.

Denkbar ist es auch, die Strukturelemente unter einem Winkel relativ zu der Oberfläche auszurichten, auf der das Strukturelement angeordnet ist. So können z.B. einseitig geneigte Teilflächen der Strukturelemente so ausgerichtet werden, dass die Reflexion der mit diesen Teilflächen wechselwirkenden Teilchen besonders vorteilhafte Reflexionsrichtungen entgegen der Strömungsrichtung der verdünnten Gasströmung hervorrufen. Ein Beispiel für derartige Formen von Strukturelementen könnten etwa sägezahnartig ausgerichtete Strukturelemente sein, deren stark geneigte Teilflächen etwa senkrecht zur Strömungsrichtung der verdünnten Gasströmung ausgerichtet sind. Auch ist etwa eine Gestaltung der Strukturelemente mit einem Hinterschnitt denkbar, wenn dies fertigungstechnisch möglich ist. Dabei kann in weiterer Ausgestaltung der Normalenvektor von Teilflächen der Strukturelemente derart ausgerichtet sein, dass die Teilchen wieder entgegen die Strömungsrichtung der verdünnten Gasströmung zurück reflektiert werden.It is also conceivable to align the structural elements at an angle relative to the surface on which the structural element is arranged. For example, partial surfaces of the structural elements that are inclined on one side can be aligned in such a way that the reflection of the particles interacting with these partial surfaces causes particularly advantageous reflection directions opposite to the direction of flow of the diluted gas flow. An example of such shapes of structural elements could be structural elements aligned in a sawtooth-like manner, the steeply inclined partial surfaces of which are aligned approximately perpendicular to the direction of flow of the diluted gas flow. A design of the structural elements with an undercut is also conceivable, if this is possible in terms of production technology. In a further embodiment, the normal vector of partial areas of the structural elements can be aligned in such a way that the particles are reflected back against the direction of flow of the diluted gas flow.

Von besonderer Bedeutung ist es, dass die Abmessungen der Strukturelemente wesentlich kleiner als die Abmessungen der Geometrie der durch-, um- oder überströmten Oberflächen, vorzugsweise in der Größenordnung der mittleren freien Weglänge ausgebildet sind.It is of particular importance that the dimensions of the structural elements are significantly smaller than the dimensions of the geometry of the surfaces through which the flow passes, around or over them, preferably in the order of magnitude of the mean free path length.

Auch ist es denkbar, dass die Strukturelemente Materialien aufweisen oder aus Materialien gebildet sind, die eine verbesserte Wechselwirkung mit den Teilchen der verdünnten Gasströmung gewährleisten. So können etwa durch die Materialwahl des Materials der Strukturelemente bessere oder schlechtere Wechselwirkungsgrade dieser Materialien mit den Teilchen der verdünnten Gasströmung eingestellt werden.It is also conceivable that the structural elements have materials or are formed from materials that ensure improved interaction with the particles of the diluted gas flow. For example, better or worse degrees of interaction of these materials with the particles of the diluted gas flow can be set through the choice of material for the structural elements.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, alle Arten von Verdrängervakuumpumpen (Schraubenspindelvakuumpumpe, Wälzkolbenpumpe) aufweisend eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9.The invention also relates to a vacuum pump, in particular a turbomolecular pump, all types of displacement vacuum pumps (screw vacuum pump, Roots pump) having a device according to claim 9.

Dabei können in vorteilhafter Weise die Strukturelemente im Spaltbereich der Vakuumpumpe das Saugvermögen und/oder den erreichbaren Enddruck der Vakuumpumpe erhöhen und damit die Effektivität bei der Vakuumerzeugung in dieser Vakuumpumpe wesentlich verbessern. Ebenfalls können die Strukturelemente im Spaltbereich der Vakuumpumpe im Niederdruckbereich eine Verringerung des Spaltmassenstroms bewirken.The structural elements in the gap area of the vacuum pump can advantageously increase the pumping speed and/or the achievable final pressure of the vacuum pump and thus significantly improve the effectiveness of the vacuum generation in this vacuum pump. The structural elements in the gap area of the vacuum pump can also bring about a reduction in the gap mass flow in the low-pressure area.

Durch eine strukturierte Oberfläche (z.B. Sägezahnprofil) lasst sich die Strömung verdünnter Gase bei Vakuumanwendungen, Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS)) oder dgl. gezielt beeinflussen, so dass zum Beispiel ein Spaltdurchfluss — der i.d.R. das Betriebsverhalten von Verdrängervakuumpumpen maßgebend beeinflusst — signifikant (>10%) reduziert werden kann (gegenüber einem Spalt gleicher Höhe, aber mit glatten oder stochastisch rauen Berandungsoberflächen). Dies verbessert sowohl das Saugvermögen als auch den erreichbaren Enddruck von Verdrängervakuumpumpen, ohne die Betriebssicherheit zu gefährden. Im Gegenteil kann durch eine solche Struktur die Betriebssicherheit im Fall sich berührender bewegter Bauteile sogar vergrößert werden, da die Fläche sich potentiell berührender Bauteile verringert wird (Spitzen der Sägezähne o.ä.), so dass z.B. der Rotor die auf dem Gehäuse angeordneten Strukturelemente im Fall einer Berührung nur mit geringen Flächenabschnitten berührt. So können sonst ungewollte mechanische Berührungen zwischen Rotor und Gehäuse einer Vakuumpumpe aufgrund unvermeidbarer thermischer Dehnungen etc. weniger oder keine negativen Folgen wie ein Fressen an den Kontaktflächen hervorrufen, weil die Flächenanteile der Strukturelemente, die von der relativ sich bewegenden Komponente der Vakuumpumpe berührt werden, wesentlich geringer als bei glatten Flächen im Spalt der Pumpe ausfallen.A structured surface (e.g. sawtooth profile) can be used to specifically influence the flow of diluted gases in vacuum applications, micro-electro-mechanical systems (MEMS) or the like, so that, for example, a gap flow — which usually has a decisive influence on the operating behavior of positive-displacement vacuum pumps — can be reduced significantly (>10%) (compared to a gap of the same height but with smooth or stochastically rough boundary surfaces). This improves both the pumping speed and the achievable ultimate pressure of positive displacement vacuum pumps without jeopardizing operational safety. On the contrary, such a structure can even increase operational safety in the event of touching moving components, since the area of potentially touching components is reduced (tips of saw teeth or the like), so that e.g. the rotor has the structural elements arranged on the housing in the In the event of contact, only small areas are touched. Otherwise unwanted mechanical contact between the rotor and the housing of a vacuum pump due to unavoidable thermal expansion etc. can cause fewer or no negative consequences such as seizure on the contact surfaces, because the surface areas of the structural elements that are touched by the relatively moving components of the vacuum pump are significant lower than with smooth surfaces in the gap of the pump.

Die Erfindung betrifft ferner die Anwendung der Vorrichtung bei MEMS (Mikro-Electromechanical-Systems), aufweisend eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9. Hierbei können die Strukturelemente der Vorrichtung bei MEMS die Gasströmung vorteilhaft beeinflussen. Zwar herrschen bei MEMS höhere Drücke als bei Vakuumpumpen, trotzdem zeigen die Gasströmungen in MEMS ein ähnliches Verhalten wie in Vakuumpumpen, da die MEMS Abmessungen in der Größenordnung der freien Weglänge der Teilchen der Gasströmung aufweisen. Daher kann es sinnvoll sein, die Strukturelemente auch bei MEMS vorzusehen, um den Massenstrom der Teilchen zu vergrößern.The invention also relates to the use of the device in MEMS (micro-electromechanical systems), having a device according to claim 9. In this case, the structural elements of the device in MEMS can advantageously influence the gas flow. Although the pressures in MEMS are higher than in vacuum pumps, the gas flows in MEMS show a behavior similar to that in vacuum pumps, since the MEMS have dimensions in the order of magnitude of the free path length of the particles in the gas flow. It can therefore make sense to also provide the structural elements for MEMS in order to increase the mass flow of the particles.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung zeigt die Zeichnung.A particularly preferred embodiment of the method and the device according to the invention is shown in the drawing.

Es zeigen:

1 - Prinziphafte Darstellung der Verhältnisse bei diffuser Streuung von Teilchen an stillstehenden oder beweglichen Oberflächen,
2 - Simulationen nach Sazhin mithilfe der DSMC-Methode für eine druckgetriebene Strömung zwischen zwei Druckreservoirs hindurch, bei der die unbewegten Berandungen ein Sägezahnprofil aufweisen,
3a-3c - Untersuchungsergebnisse u.a. von Dreifert und Müller/Huck und Rohe an Schraubenvakuumpumpen,
4 - Einflussgrößen und sich ergebende Effekte des abdichtenden Effekts der Strukturelemente bei Relativbewegung zwischen sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen,
5a-5h - mögliche schematische Darstellung von Profilierungen der Oberfläche in Form von Strukturelementen.

Show it:

1 - Basic representation of the conditions in the case of diffuse scattering of particles on stationary or moving surfaces,
2 - Simulations according to Sazhin using the DSMC method for a pressure-driven flow between two pressure reservoirs, where the stationary boundaries have a sawtooth profile,
3a-3c - Results of investigations by Dreifert and Müller/Huck and Rohe, among others, on screw vacuum pumps,
4 - Influencing variables and resulting effects of the sealing effect of the structural elements during relative movement between closely adjacent opposite surfaces,
5a-5h - possible schematic representation of profiling of the surface in the form of structural elements.

In der 4 ist in einer sehr stark prinziphaft ausgebildeten Darstellung die grundsätzliche Reduktion des Massenstroms bei der Verwendung von Strukturelementen 5 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Die Relativbewegung der Oberflächen 2 und 2' zueinander etwa zwischen Rotor und Gehäuse einer Vakuumpumpe übt eine zusätzliche Kraft auf die Teilchen der verdünnten Gasströmung aus, wodurch der Geschwindigkeitsvektor der sich eng benachbart gegenüberliegenden Oberflächen 2, 2' mit dem Geschwindigkeitsvektor des Teilchens nach Verlassen der Oberflächen 2, 2' addiert wird. Bei einer in positive x-Richtung bewegten strukturierten Oberfläche 2 mit den Strukturelementen 5 hat ein Teilchen, das gegen die Strukturelemente 5 fliegt, eine geringere Wahrscheinlichkeit, mehrfach mit den Strukturelementen 5 zu interagieren, als wenn die Oberfläche nicht bewegt würde. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen in Richtung entgegen der Relativbewegung der Oberfläche 2, 2' reflektiert wird. Ein Teilchen, dass aus der anderen Richtung kommend gegen die Strukturelemente 5 fliegt, bekommt ebenfalls eine mittlere Wahrscheinlichkeit, zurückgestreut zu werden. Durch die Überlagerung mit der Relativgeschwindigkeit der Oberflächen 2, 2' steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen erneut mit den Strukturelementen 5 interagiert und einen erneuten Richtungswechsel vollzieht. In Summe stellt sich damit ein deutlich höherer Anteil an Teilchen ein, die entgegen der Relativbewegung der Oberflächen 2, 2' gestreut werden, was wiederum zu einer Reduktion des Massenstroms der Teilchen in der verdünnten Gasströmung führt. Simulationen mithilfe der DSMC-Methode zeigen, dass für eine reine oberflächengetriebene Strömung der Massenstrom der Teilchen in der verdünnten Gasströmung bei Vorsehen von Strukturelementen 5 je nach Randbedingung bei gleicher Spalthöhe um bis zu 50 % reduziert werden kann und dadurch die Bildung z.B. eines Vakuums verbessert wird.In the 4 the basic reduction of the mass flow when using structural elements 5 according to the method according to the invention is shown in a very strongly principled representation. The relative movement of the surfaces 2 and 2' to each other, for example between the rotor and housing of a vacuum pump, exerts an additional force on the particles of the diluted gas flow, whereby the velocity vector of the closely adjacent opposite surfaces 2, 2' corresponds to the velocity vector of the particle after leaving the surfaces 2, 2' is added. In the case of a structured surface 2 with structure elements 5 moved in the positive x-direction, a particle flying against structure elements 5 has a lower probability of interacting multiple times with structure elements 5 than if the surface were not moved. This increases the probability that a particle will be reflected in the direction opposite to the relative movement of the surface 2, 2'. A particle that, coming from the other direction, flies against the structural elements 5 also has a medium probability of being scattered back. Due to the superimposition of the relative speed of the surfaces 2, 2', however, the probability increases that the particle will again interact with the structural elements 5 and change direction again. In total, this results in a significantly higher proportion of particles, which are scattered counter to the relative movement of the surfaces 2, 2', which in turn leads to a reduction in the mass flow of the particles in the diluted gas flow. Simulations using the DSMC method show that for a purely surface-driven flow, the mass flow of the particles in the diluted gas flow can be reduced by up to 50% when structural elements 5 are provided, depending on the boundary conditions, with the same gap height, thereby improving the formation of a vacuum, for example .

Betrachtet man die Form des Gehäusespalts z.B. zwischen Rotor und Gehäuse einer Vakuumpumpe, so lässt sich eine Analogie zu den Simulationen von Sazhin erkennen, wobei zusätzlich durch die Bewegung des Rotors eine bewegte Berandung des Spaltes hinzukommt. Dies lässt darauf schließen, dass gerade im Niederdruckbereich eine signifikante Verringerung des Spaltmassenstroms durch eine strukturierte Profilierung z.B. der Gehäuseoberfläche erreicht werden könnte, ohne die anderen Spalte zu beeinflussen. Der Vorteil, die Verringerung des Spaltmassenstroms über eine profilierte Oberfläche zu erreichen, liegt insbesondere in der Betriebssicherheit, da eine Minimierung der Spalthöhe h Grenzen hat, um einen mechanischen Kontakt zwischen Rotor und Gehäuse selbst bei auftretender Wärmedehnung zu verhindern. Mit einer strukturierten Oberfläche aufgrund der Strukturelemente 5 kann erreicht werden, dass die geometrische Spalthöhe h z.B. gleich bleibt (oder größer wird) und gleichzeitig ein geringerer Massenstrom erzielt wird. Im Fall einer RotorGehäuse-Berührung würden darüber hinaus zunächst nur die Spitzen der Strukturelemente berührt, wodurch eine zusätzliche Sicherheit gewährleistet ist.If you look at the shape of the housing gap, e.g. between the rotor and housing of a vacuum pump, you can see an analogy to the simulations by Sazhin, where the movement of the rotor also causes a moving boundary of the gap. This suggests that especially in the low-pressure range, a significant reduction in the gap mass flow could be achieved by structured profiling, e.g. of the housing surface, without influencing the other gaps. The advantage of reducing the gap mass flow via a profiled surface lies in particular in the operational reliability, since minimizing the gap height h has limits in order to prevent mechanical contact between the rotor and the housing even if thermal expansion occurs. With a structured surface due to the structural elements 5, it is possible to ensure that the geometric gap height h remains the same (or increases), for example, and at the same time a lower mass flow is achieved. In the event of a rotor housing contact, only the tips of the structural elements would initially be touched, which ensures additional safety.

Die Abmaße der Strukturelemente 5 sollten dabei deutlich kleiner sein als die charakteristischen Abmaße der durch-, um- oder überströmten Geometrie (z.B. in der Größenordnung der mittleren freien Weglänge), hier also der den Spalt bildenden Oberfläche 2, 2', z.B. im Bereich von wenigen Mikrometern.The dimensions of the structural elements 5 should be significantly smaller than the characteristic dimensions of the geometry flowed through, around or over (e.g. in the order of magnitude of the mean free path), in this case the surface 2, 2' forming the gap, e.g. in the range of a few microns.

5 zeigt mögliche schematische Profilierungen der Oberfläche davon ausgehend, dass die Hauptströmung von links nach rechts gerichtet ist, dabei befinden sich die Strukturelemente 5 oberhalb und die Strömung unterhalb der Kontur. Dabei sind sowohl symmetrische als auch unsymmetrische Strukturen wie etwa sägezahnartige Strukturelemente 5 (5a - 5c), wellenartige Strukturelemente 5 (5e), verschiedenartige, sich aber wiederholende Strukturelemente 5 (5d und 5h) oder auch Kombinationen davon (5f und 5g) denkbar. Falls fertigungstechnisch realisierbar, wäre auch ein Hinterschnitt wie in den 5c und 5g zu erkennen denkbar, sofern die Strukturelemente 5 unter einem angestellten Winkel ausgeführt werden. Dies könnte die Mehrfachstreuung im Fall der von rechts nach links fliegenden Teilchen begünstigen, sodass nach Ablösen der Teilchen von den Strukturelementen 5 die Ursprungsrichtung häufiger beibehalten wird. Prinzipiell sind Strukturen zu bevorzugen, deren lokaler Normalenvektor derart ausgerichtet ist, dass ein Teilchen, das in Strömungsrichtung auf die Oberflächenstruktur zufliegt, eine hohe Wahrscheinlichkeit hat, wieder zurück reflektiert zu werden, ohne Mehrfachkollisionen zu vollziehen. Ein Teilchen, das entgegen der Hauptströmungsrichtung auf die Oberflächenstruktur der Strukturelemente 5 zufliegt, soll dagegen möglichst die Richtung beibehalten. Eine Strategie dafür ist, die Wahrscheinlichkeit für Doppelkollisionen mit der Oberflächenstruktur zu erhöhen, sodass nach der zweiten Kollision im Mittel die ursprüngliche Richtung wieder aufgeprägt wird. 5 shows possible schematic profiling of the surface based on the fact that the main flow is directed from left to right, with the structural elements 5 being located above and the flow below the contour. Both symmetrical and asymmetrical structures such as sawtooth-like structure elements 5 ( 5a - 5c ), wave-like structural elements 5 ( 5e ), various but repetitive structural elements 5 ( 5d and 5h ) or combinations thereof ( 5f and 5g ) conceivable. If technically feasible, an undercut would also be as in the 5c and 5g conceivable to recognize if the structural elements 5 are performed at an employed angle. This could promote multiple scattering in the case of particles flying from right to left, so that after the particles have detached from the structural elements 5, the original direction is retained more frequently. In principle, structures are to be preferred whose local normal vector is aligned in such a way that a particle flying towards the surface structure in the flow direction has a high probability of being reflected back again without undergoing multiple collisions. A particle that flies against the main flow direction towards the surface structure of the structural elements 5 should, on the other hand, keep the direction as far as possible. One strategy for this is to increase the probability of double collisions with the surface structure, so that after the second collision the original direction is restored on average.

Die Beeinflussung der Strömung von verdünnten Gasen durch eine regelmäßig strukturierte Oberfläche (z.B. Sägezahnprofil mit Zahnhöhe im Mikrometerbereich) hat für Vakuumanwendungen (z.B. für die Spalte im Ansaugbereich von Vakuumpumpen, Turbomolekularpumpen) den Vorteil einer

• Erhöhung des Saugvermögens
• Verringerung der notwendigen Saugleistung bzw. Verbesserung des erreichbaren Enddrucks
• Erhöhung der Sicherheit, da sich die Teile mit einem geringeren Flächenanteil berühren.

Influencing the flow of diluted gases through a regularly structured surface (eg sawtooth profile with tooth height in the micrometer range) has the advantage for vacuum applications (eg for the gaps in the intake area of vacuum pumps, turbomolecular pumps).

• Increase in pumping speed
• Reduction of the necessary suction power or improvement of the achievable final pressure
• Increased safety, since the parts touch each other with a smaller surface area.

Bezugszeichenlistereference list

11: Teilchenrichtungparticle direction
22: Oberflächesurface
33: Geschwindigkeit Oberflächespeed surface
44: Streuungsrichtungdirection of scattering
55: Strukturelementstructural element

Claims

Method for influencing diluted gas flows with the aid of surfaces (2, 2') having roughness, in particular in vacuum pumps, MEMS or similar flow applications, in which the diluted gas flow is passed between closely adjacent, opposite surfaces (2, 2'), characterized characterized in that the closely adjacent opposite surfaces (2, 2') perform a relative movement to one another, in the area of the closely adjacent opposite surfaces (2, 2') a targeted structuring with regularly arranged and/or regularly repeating structural elements (5) at least partial areas on at least one of the closely adjacent opposite surfaces (2, 2'), the structural elements (5) reflect particles of the diluted gas flow colliding with them, preferably counter to the direction of flow of the diluted gas flow and thereby the mass flow of the diluted gas flow through the area e.g between the closely adjacent opposing surfaces (2, 2').

procedure according to claim 1 , characterized in that the dimensions of the structural elements (5) are formed in the order of magnitude of the mean free path of the particles or smaller, preferably in the micrometer range.

Method according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the dimensions and the shape of the structural elements (5) affect the particles of the diluted gas flow in such a way that the probability is greatly increased that a particle in the direction opposite to the relative movement between the closely adjacent opposite surfaces (2, 2' ) is reflected.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the diluted gas flow in the region of the surface (2, 2') having structural elements (5) and moving relative to one another interacts in such a way with the structural elements (5) of the surface (2, 2'). that a preferred direction of flow is imposed on the particles of the diluted gas flow.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the passage of the diluted gas flow between the closely adjacent opposing surfaces (2, 2') is reduced by the structural elements (5).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the throughflow of the diluted gas flow reducing effect of the structural elements (5) changes depending on the relative speed between the closely adjacent opposite surfaces (2, 2'), preferably amplifies with increasing relative speed .

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for a pure gas flow caused by the relative movement between the opposing surfaces (2, 2'), the mass flow with the same cross-section of the flow cross-section through which flow occurs by up to 50% compared to the configuration with smooth surfaces (2, 2') is reduced.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the structural elements (5) are designed in such a way that the mass flow of the particles in the diluted gas flow is increased for the same cross-section of the flow cross-section through which the flow passes compared to the configuration with smooth surfaces (2, 2').

Device for influencing diluted gas flows with the aid of surfaces (2, 2') having roughness, in particular in vacuum pumps, MEMS or similar flow applications, in which the diluted gas flow is guided between closely adjacent, opposite surfaces (2, 2'), thereby characterized in that structural elements (5) with regularly arranged and / or regularly repeated The structures are arranged and formed in the area of the surfaces (2, 2') that are closely adjacent to one another and move relative to one another in such a way that the structural elements (5) reflect particles of the diluted gas flow colliding with them, preferably counter to the direction of flow, and thereby the mass flow of the diluted gas flow through the area between the closely spaced facing surfaces (2, 2').

Device according to claim 9 , characterized in that the structural elements (5) are arranged at least on partial areas of the closely adjacent opposite surfaces (2, 2 ').

Device according to one of claims 9 or 10 , characterized in that symmetrical and/or asymmetrical structural elements (5) are arranged on partial areas of the surfaces (2, 2') lying opposite one another in close proximity.

Device according to one of claims 9 until 11 , characterized in that the structural elements (5) are oriented at an angle relative to the surface (2, 2') on which the structural element (5) is arranged, preferably having an undercut.

Device according to one of claims 9 until 12 , characterized in that the dimensions of the structural elements (5) are substantially smaller than the dimensions of the geometry of the surfaces (2, 2'), preferably in the order of magnitude of the mean free path of the particles or smaller.

Device according to one of claims 9 until 13 , characterized in that the normal vector of partial surfaces of the structural elements (5) is aligned in such a way that the particles are reflected back against the direction of flow of the diluted gas flow.

Device according to one of claims 9 until 14 , characterized in that the structural elements have materials or are formed from materials which ensure improved interaction with the particles of the diluted gas flow.

Vacuum pump, in particular turbomolecular pump, displacement vacuum pumps, such as in particular screw spindle vacuum pump, Roots pump or the like., Having a device according to claim 9

vacuum pump according to Claim 16 , characterized in that the structural elements (5) in the gap area of the vacuum pump increase the pumping speed and/or reduce the achievable ultimate pressure of the vacuum pump.

Vacuum pump according to one of Claims 16 or 17 , characterized in that the structural elements (5) cause a reduction in the gap mass flow in the gap area of the vacuum pump in the low-pressure area.

Vacuum pump according to one of Claims 16 until 18 , characterized in that the rotor or housing of the vacuum pump touches the structural elements (5) in the event of contact only with small surface sections.

MEMS (Micro-Electromechanical-Systems), having a device according to claim 9

MEMS according to claim 20 , characterized in that the structural elements (5) increase the mass flow in the MEMS.