DE1503702C3

DE1503702C3 - Diffusionspumpe

Info

Publication number: DE1503702C3
Application number: DE1966N0028183
Authority: DE
Inventors: Arthur Arvid Sharon Mass. Landfors
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1965-03-11
Filing date: 1966-03-10
Publication date: 1981-03-12
Also published as: GB1073425A; DE1503702B2; DE1503702A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diffusionspumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 3 141 606 ist eine Diffusionspumpe mit diesen Merkmalen bekannt, die ein Gehäuse in Form eines geraden Kreiszylinders hat, welches am oberen Ende einen Anschlußflansch für eine zu evakuierende Einrichtung aufweist und einen Düsenstock mit einer Reihe übereinander liegender, ringförmiger Dampfdüsen enthält, deren Durchmesser von der obersten, dem Einlaß am nächsten benachbarten Düse zur untersten hin schrittweise zunimmt.

Es ist ferner aus dem Prospekt »varian/NCR M-4 diffusion pump and components« eine Diffusionspumpe bekannt, deren Gehäuse einen am Siedegefäß ansetzenden ersten zylindrischen Teil, dann einen sich kegelstumpfförmig erweiternden Teil und schließlich einen am Anschlußflansch endenden zweiten zylindrischen Teil, der einen größeren Durchmesser hat als der am Siedegefäß ansetzende erste zylindrische Teil, enthält. In diesem Gehäuse ist ein Düsenstock mit drei Dampfdüsen angeordnet, von denen sich die unterste im ersten zylindrischen Teil und die mittlere sowie oberste im zweiten zylindrischen Teil befinden.

Die Pumpleistung von Diffusionspumpen der oben

ίο bekannten Art hängt von der Gehäuse- und Düsengeometrie sowie vom Querschnitt bzw. Durchmesser des Anschlußflansches ab, auf Grund dessen Diffusionspumpen klassifiziert und verglichen werden, da der Durchmesser des Anschlußflansches die Querschnitte der folgenden Teile der Vakuumanlage bestimmt, wie Kühlfallen, Baffles, Ventile usw. Der Anschlußquerschnitt bzw. Anschlußflanschdurchmesser der Pumpe bestimmt damit wesentlich die Kosten der Anlage, und wenn man eine vorgegebene Saugleistung mit einer Pumpe kleineren Anschlußflansch- oder Nenndurchmessers erreichen kann, lassen sich erhebliche Ersparnisse erzielen. Bisher hat man die Erhöhung der Saugleistung von Diffusionspumpen in erster Linie durch Verbesserung der Düsengeometrie zu erreichen gesucht, die hier zur Verfügung stehenden Möglichkeiten sind jedoch im wesentlichen ausgeschöpft.

Es ist schließlich aus der US-PS 2 905 373 eine Diffusionspumpe mit toroidartiger Geometrie bekannt.

Das Gehäuse hat in etwa die Form einer oben konvexen und unten konkaven Scheibe. Im Querschnitt gesehen nimmt die axiale Höhe des Innenraumes des Gehäuses von der Achse zur Peripherie hin ab. Das Dampfrohr ist ähnlich geformt und hat auf der konkaven Oberseite sowie auf der konvexen Unterseite zwei Reihen von Dampfdüsen, die Dampfstrahlen gegen die nach außen konvergierenden Innenwände des Gehäuses richten. Die erste Düsenreihe liegt etwa auf der Mitte zwischen der Achse und der Peripherie, also in einem erheblichen Abstand von einem zylindrischen Anschlußstutzen, der an die Mitte der oberen Wand des Gehäuses angesetzt ist und eine Länge hat, die etwa gleich der größten Höhe des Innenraumes des Gehäuses ist. Bei dieser bekannten Pumpe soll die Pumpengeschwindigkeit durch die Vergrößerung der »Einfangfläche« des Dampfstrahles zwischen der Düsenmündung und der Gehäusewand vergrößert werden. Bei dieser bekannten Pumpe werden jedoch die Vorteile, die sich durch die Vergrößerung der Einfangfläche ergeben, bei weitem durch die Nachteile überwogen, die sich durch die ungünstige Geometrie des Strömungsweges zwischen dem Pumpeneinlaß am Einlaßflansch und der Einfangfläche bei der ersten Düse ergeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von der eingangs genannten US-PS 3141606, die Aufgabe zugrunde, die Saugleistung einer solchen Diffusionspumpe zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Diffusionspumpe der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Pumpe.

Dadurch, daß sich der Querschnitt des Pumpengehäuses vom Einlaß aus erweitert und der aus der obersten Düse austretende Dampfstrahl in diesem erwei-

terten Abschnitt wirksam wird, ergeben sich Pumpgeschwindigkeiten, die erheblich höher sind als die bekannter Pumpen mit dem gleichen Anschluß-Nenndurchmesser. Die Erhöhung der Sauggeschwindigkeit ohne Vergrößerung des Einlaßquerschnittes, also des Durchmessers des Anschlußflansches, hat den Vorteil, daß man Kühlfallen, Ventile u. dgl. mit dem kleineren Nenndurchmesser verwenden kann.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die dargestellte Diffusionspumpe enthält ein senkrecht stehendes rohrförmiges Gehäuse 2 mit einem Einlaß 4, eine Vorvakuumauslaßleitung 6, eine Düsenanordnung 8 und ein Siedegefäß 10, das sich am unteren Ende der Pumpe befindet und Treibmitteldämpfe zur Speisung der Düsenanordnung liefert. Das Gehäuse umfaßt einen oberen erweiterten Abschnitt 3 und einen unteren zylindrischen Abschnitt S. Die Düsenanordnung 8 besteht aus einer sich nach oben stufenartig verjüngenden Konstruktion, längs der eine Reihe von ringförmigen Dampfdüsen 16,18, 20 angeordnet sind. Durch die Düsen tritt dampfförmiges Treibmittel in Richtung nach unten und außen in einen ringförmigen Pump- oder Diffusionsraum 12 aus, der durch die Innenwand des Gehäuses und die in der Mitte von diesem angeordnete Düsenanordnung begrenzt wird. Die ringförmigen Düsen können eine Reihe von Öffnungen enthalten, die längs des Umf anges der Dampfrohranordnung angeordnet sind, oder sie können auch eine ringförmige Öffnung aufweisen, die durch zwei in senkrechter Richtung beabstandete Bauteile gebildet wird. Die Düsen- und Dampfrohranordnung kann aus Rohrstücken oder Drehteilen bestehen. Die Düsenanordnung 8 der Pumpe enthält außerdem eine Strahldüse 22 und ein Fraktionierrohr 24, das Dampf vom Siedegefäß unter Umgehung der unteren Düsen direkt zur obersten Düse 16 leitet.

Bei Pumpen dieser Art soll sich die oberste Düse 16 nahe beim Einlaß 4 befinden und das Gehäuse im Bereich der oberen Düse erweitern, so daß die durch den Einlaß eintretenden Moleküle wirksam von dem dichten Dampfstrahl, der aus der Düse 16 austritt, eingeschlossen werden können. In konstruktiver Hinsicht läßt sich diese Bedingung unter Bezugnahme auf den Abstand J vom Einlaß 4 zur Lippe oder dem Rand 17 der Düse 16 und den in einer horizontalen Ebene gerechneten Abstand vom Düsenrand 17 zur Wand der Pumpe ausdrücken. J soll ^₁ nicht wesentlich übersteigen, und das Verhältnis (J/Ri) soll vorzugsweise kleiner als eins sein. Diese Bedingung muß mit den Erfordernissen eines Pumpengehäuses kombiniert werden, das sich erweitert oder ausbaucht, beginnend vom Einlaßbereich und dem dichten Teil des oberen Strahles, der den erweiterten Bereich trifft, wie gleich näher erläutert wird. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein Gasmolekül in die Pumpe eintritt, größer als die Wahrscheinlichkeit, daß es rückdiffundiert, und der Dampfstrahl der oberen Düse vermag die abzupumpenden Gasmoleküle besser aufzunehmen und einzuschließen, so daß die Pumpgeschwindigkeit erhöht wird..

Die gestrichelten Linien 14 stellen Teile der ringförmigen Dampfstrahlen dar, die aus der obersten Düse 16 und der zweitobersten Düse 18 austreten. Die Dampfstrahlen treten aus den Düsen zwar in einem weiten Winkelbereich aus, der dichte Hauptteil der Dampfstrahlen liegt jedoch bei der Düse 16 im Bereich M zwischen gestrichelt dargestellten Grenzen 141,142 und bei der Düse 18 im Bereich O zwischen Grenzen 241 und 242. Die Verdichtung erfolgt in der Hauptsache in diesen Bereichen M und O. Die Lage der oberen Grenzlinien 141, 241 ist durch Winkel N und P bezüglich einer horizontalen Ebene bestimmt, diese Winkel liegen gewöhnlich im Bereich zwischen

ίο 20° und 35°, ein typischer Wert ist 30°.

Es ist ersichtlich, daß sich die ganze obere Grenze 141 des dichten Strahlbereiches der Düse 16 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von oben gesehen innerhalb des erweiterten Bereiches 3 des Gehäuses befindet und daß oberhalb der Grenze 141 genügend freier Raum zur Verfügung steht, urn den durch den Einlaß 4 eintretenden Gasmolekülen leicht Zugang zu dem dichten Strahlbereich zu ermöglichen. Auch bei der Düse 18 befindet sich die obere Grenze 241 in senkrechter Richtung gesehen innerhalb des erweiterten Bereiches 3 des Pumpengehäuses. Unter Berücksichtigung dieser Kriterien liegen die Ränder 17, 19 .der oberen beiden Düsen in Vertikalrichtung genügend weit oben innerhalb des erweiterten Bereiches 3 des Gehäuses, so daß die oberen Grenzen 141, 241 der dichten Strahlbereiche das Gehäuse innerhalb des erweiterten Teiles treffen. Die oberen Grenzen 141, 241 der dichten Bereiche des obersten und zweitobersten Dampf Strahles bilden offensichtlich etwa kegel-

jo förmige Flächen (Rotationsflächen), die den von oben kommenden Gasmolekülen ausgesetzt sind. Vorzugsweise ist die durch die Grenze 141 gebildete konische Fläche A₁ gleich oder etwas größer als die durch die Grenze 241 gebildete konische Fläche. Das Flächen-Verhältnis A₁ZA₂ soll zwischen 1,0 und 1,5 liegen. Vorzugsweise weist die Pumpe die folgenden vorteilhaften Merkmale auf: Der Durchmesser des unteren Teiles 5 des Pumpengehäuses ist vorzugsweise gleich dem Einlaßdurchmesser d. Vorzugsweise liegt der maximale Durchmesser D des erweiterten Bereiches zwischen dem 1,1- und dem l,5fachen des Einlaßdurchmessers d, und die in senkrechter Richtung gerechnete Höhe des erweiterten Bereiches soll mindestens .gleich der Hälfte des maximalen Durchmessers D und höchstens gleich diesem Durchmesser D sein. Der erweiterte Bereich 3 befindet sich unmittelbar unterhalb des Einlasses 4 (d. h. er beginnt nach einer kleinen Strecke /in der Größenordnung von 1,5 bis 5 cm, die auf alle Fälle kleiner als J ist) und dieser Bereich 3 ist vorzugsweise in drei senkrecht aufeinanderfolgende Abschnitte unterteilt:

1. einen oberen konischen Abschnitt 26, der sich nach unten erweitert und in Vertikalrichtung längs des Gehäuses die Länge A hat,

2. einen mittleren zylindrischen Abschnitt 28 der

Länge B, und
3. einen unteren konischen Abschnitt 30, der sich

nach unten verjüngt und die Länge C hat. Vorzugsweise liegt der Rand 17 der obersten Düse 16 innerhalb des oberen Abschnitts 26, und die Länge A dieses Abschnitts 26 ist so groß, daß er die obere Grenze 141 des dichten Bereiches des aus der Düse 16 austretenden Strahles auffängt. Der Rand 19 der zweiten Düse 18 liegt vorzugsweise wenigstens

annähernd beim Übergang der Abschnitte 28 und 30, und die Länge C des Abschnitts 30 ist genügend groß, so daß die obere Grenze des dichten Teiles des aus der Düse 18 austretenden Strahles den unteren Ab-

schnitt schneidet. Ein weiterer Vorteil der relativ großen Länge C besteht darin, daß der Abschnitt 30 dem aus der Düse 18 austretenden Strahl eine mäßig geneigte Fläche und nicht eine praktisch nach oben weisende Wand darbietet. Eine allmähliche Verjüngung des Querschnitts im Bereich 30 ist vorteilhaft; der Winkel V mit der Vertikalen liegt dabei vorzugsweise zwischen 15° und 45°. Der Abschnitt 30 kann auch fast bis zum Siedegefäß der Pumpe reichen, wobei dann der Winkel V kleiner als 15° ist. Die Vorvakuumtoleranz ist bei einer derart abgewandelten Pumpe jedoch nicht so gut wie bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die Längen A, B,.C sollen jeweils mindestens ein Fünftel der gesamten vertikalen Abmessung (also A + B + C) des Bereiches 3 betragen.

Der erweiterte Bereich 3 des Pumpengehäuses wird vorzugsweise durch ein Gesenkpreßverfahren hergestellt, wie es beispielsweise in dem Buch von Crane »Plastic Working in Presses« (Verlag Wiley, New York, 3. Auflage, 1961, Seiten 101-105) beschrieben ist. Bei Anwendung solcher Verfahren haben die Übergänge der Abschnitte einen größeren Radius als sich beim Zusammensetzen von Rohrstücken ergibt. Je nach dem verwendeten Gesenk können die Abschnitte im Querschnitt gerade oder etwas gekrümmt sein. Das Gehäuse kann auch aus einer Anzahl von Rohrstücken oder Drehteilen hergestellt werden, die durch eine Schweiß- oder Klemmverbindung (z. B. durch Flansche) miteinander verbunden werden. Bei einer zweckmäßigen Konstruktion werden zwei gedrehte oder gedruckte Teile mit einer einzigen Schweißverbindung im Abschnitt 28 verwendet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, für das Gehäuse 2 ein Rohr zu verwenden, bei dem der erweiterte Teil 30 durch Drücken auf einem zusammenklappbaren Dorn gebildet wurde. Gesenkpressen ist jedoch aus Kostengründen vorzuziehen. Es ist ein spezielles Merkmal der vorliegenden Diffusionspumpe, daß maximale Sauggeschwindigkeiten und Durchsätze mit Gehäuseformen erreicht werden können, die durch Ausbauchen im Gesenk hergestellt werden können, während komplexere ausgebauchte Teile, die durch aufwendigere Verfahren gefertigt werden müssen, keine dem Aufwand entsprechenden Erhöhungen der Pumpgeschwindigkeit und des Durchsatzes ergeben.

Beispiel

Eine sechs-ZolI-Pumpe gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung hatte folgende Abmessungen: A = 102 mm, B = 50,8 mm, C = 76,2 mm, d = 197 mm (entsprechend der Nennabmessung einer sechs-Zoll-Pumpe). Der untere Teil des Gehäuses hatte denselben Durchmesser d wie der Einlaß. Der maximale Durchmesser D betrug 260 mm. Der Durchmesser des Randes 17 der obersten Düse 16 betrug 76,2 mm und der Abstand J des Randes 17 von der Einlaßöffnung 4 betrug 44,5' mm. Der Durchmesser des Randes 19 der zweitobersten Düse 18 betrug 102 mm und der Abstand des Randes 19 vom Rand 17 der Düse 16 betrug 111 mm, der Abstand des Randes 19 vom Einlaß (Länge K) betrug also 162 mm. Der Rand der Düse 20 hatte einen Durchmesser von 158,8 mm und sein Abstand vom Einlaß betrug 280 mm. Der erweiterte Bereich 3 begann etwa 25,4 mm (Strecke /) unterhalb der Einlaßöffnung und endete etwa 254 mm unterhalb dieser Öffnung.

Die Düsenschlitze waren 1,78 mm breit. Die Pumpe wurde mit 400 cm³ Diffusionspumpenöl des Typs DC-704 (Dow Corning Inc.) beschickt, für 5 Stunden mit einer Heizleistung von 2,2 kW betrieben und dann abgestellt. Die Pumpe wurde dann wieder in Betrieb genommen und zeigte folgende Eigenschaften:

Einlaßdruck Sauggeschwindigkeit

ίο 2,67 X 10~³mbar

2 XlO"³ mbar

1,33 X 10-³mbar

12 X lO^mbar

9,35 X 10-" mbar

υ 6,77 X lO^mbar

4,01 X lO^mbar

1,33 X lO^mbar

1500 Liter/Sekunde

2200

2400

2450

2570

2550

2500

2570

Das maximal zulässige Vorvakuum betrug 0,854 mbar bei einem Einlaßdruck von 12 X 10~⁴ mbar und 0,935 mbar bei einem Einlaßdruck von 1,33 X 10-⁴ mbar.

Es ist ersichtlich, daß bei der Pumpe des beschriebenen Beispiels, die alle obenerwähnten konstruktiven Bedingungen erfüllt, oberhalb der Grenze 141 des Dampf Strahlers ein beträchtliches unmittelbar an den Einlaß 4 angrenzendes Volumen zum Einfangen von Gasmolekülen zur Verfügung steht.

Es ist wichtig, daß die bevorzugte, nach unten weisende Innenfläche des Abschnittes 26 die Gasmoleküle nach unten, also in Pumprichtung, in den dichten Dampfstrom, der aus der Düse 16 austritt, zu leiten strebt. Die auf die Innenseite des Abschnittes 26 auftreffenden Gasmoleküle werden nämlich mehr in Richtung senkrecht zur Wand zurückfliegen als in iris gendeiner anderen Richtung. Mit dieser Erscheinung hängen mehrere konstruktive Merkmale zusammen. Der nahe Abstand des Abschnittes 26 vom Einlaß der Pumpe, die Neigung des Abschnittes 26 und seine Länge A und die Relation zur Düse 16 gewährleisten alle, daß eine große Anzahl von Gasmolekülen auf den Abschnitt 26 auftreffen wird. Diese Merkmale gewährleisten außerdem, daß der hauptsächliche Auftreffbereich für die von der Innenseite des Abschnittes 26 kommenden Moleküle durch den aus der Düse 16 austretenden Strahl gebildet wird, so daß dieser Strahl besser ausgenutzt wird.

Es wurde außerdem, wie oben erwähnt, gefunden, daß man einen weiteren Bereich hoher Sauggeschwindigkeit bei gleichzeitiger Stabilität und geringen Anforderungen an den Vorvakuumdruck erreicht, wenn die zweitoberste Düse 18 innerhalb des erweiterten Teiles angeordnet wird und ihren Dampfstrahl gegen den erweiterten Teil ausstößt. Die bevorzugte Anordnung, bei der die beiden oberen Düsen ihre Dampfstrahlen in den erweiterten Bereich ausstoßen, ist oben bezüglich des Verhältnisses A₁IA₂ und der Länge und Form des erweiterten Bereiches 3 definiert, insbesondere des Abschnittes 30 dieses erweiterten Teiles.

Das bevorzugte Verfahren zur Bildung des erweiterten Bereiches 3 (Ausbauchen im Gesenk) liefert ein nahtloses Gehäuse mit einer flach oder schwach gekrümmten Ausbauchung; »schwach gekrümmt« soll dabei bedeuten, daß der Krümmungsradius an ir-

_b5 gendeinem Punkt längs eines Schnittes des ausgebauchten Teiles größer ist als der vergrößerte Radius des Gehäuses an derselben Stelle. Wenn der erweiterte Teil leicht gekrümmte Wände hat, können An-

fang und Ende des »zylindrischen« Bereiches 28 als die letzten Punkte längs des Gehäuses angesehen werden, bei denen der Winkel der Tangente an das Gehäuse und der vertikalen Achse der Pumpe kleiner als ±15° ist. Der Krümmungsradius beträgt an den Übergängen der Abschnitte A-B-C etwa 19 mm.

Die Düse 16 kann zur Verringerung der Rückdiffusion mit einem gekühlten Hut üblicher Bauart versehen werden. Der Effekt eines gekühlten Hutes auf die Sauggeschwindigkeit ist proportional ungefähr die gleiche, wie wenn eine bekannte Pumpe mit einem gekühlten Düsenhut versehen wird. Wenn bei der

Pumpe des Beispieles zusätzlich ein gekühlter Düsenhut verwendet wird, erhält man eine Sauggeschwindigkeit von ungefähr 2400 Liter/Sekunde bei niedrigem Einlaßdruck (z.B. 0,133XlO"³ mbar). Die Richtung der Grenze 141 wird durch diese Maßnahme vermutlich etwas, wenn auch nicht wesentlich, geändert. Bei der vorliegenden Beschreibung ist mit dem Ort der Düse 16 der Ort des Randes 17 zu verstehen, gleichgültig ob die Düse mit einem gekühlten Düsenhut umgeben ist oder nicht. Entsprechend ist unter dem Ort der Düse 18 der Ort des Randes 19 zu verstehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

130 211/2

Claims

Patentansprüche:

1. Diffusionspumpe mit einem rohrförmigen Gehäuse, das am oberen Ende einen kreisförmigen Einlaß zum Anschluß an eine zu evakuierende Einrichtung und am unteren Ende ein Siedegefäß aufweist und ein Dampfrohr mit einer Reihe übereinander angeordneter Dampfdüsen enthält, die nach unten und außen gegen die Innenwand des Gehäuses gerichtete Dampfstrahlen liefern, wobei der Auslaß der obersten Düse nahe dem Einlaß der Pumpe angeordnet ist und der Dampfweg von der obersten Düse zur Gehäusewand wesentlich größer ist als von den weiter unten liegenden Düsen zur Gehäusewand, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß der obersten Düse (16) in einen sich vom Einlaß (4) der Pumpe aus in Saugrichtung erweiternden Abschnitt (3) des Gehäuses mündet.

2. Diffusionspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich auch die zweitoberste Düse (18) innerhalb des erweiterten Abschnitts (3) befindet.

3. Diffusionspumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand (J) der Einlaßöffnung (4) der Pumpe vom Rand (17) der obersten Düse (16) höchstens gleich dem horizontalen Abstand (R₁) zwischen diesem Rand (17) und dem erweiterten Abschnitt (3) ist.

4. Diffusionspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erweiterte Abschnitt (3) zwei konische Teile (26, 30) und einen mittleren zylindrischen Teil (28) aufweist.

5. Diffusionspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Durchmesser (D) des erweiterten Abschnitts (3) des Gehäuses 1,1- bis l,5mal größer ist als der Durchmesser (D) des Einlasses (4) der Pumpe.

6. Diffusionspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Höhe (A + B + C) des erweiterten Abschnitts (3) des Gehäuses mindestens gleich der Hälfte des maximalen Durchmessers (D) und höchstens gleich diesem Durchmesser (D) ist.