DE19848406A1 - Molekularpumpe mit gerippter Rotorkonstruktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Molekularpumpen, die wissenschaftlich auch als Molecular-Drag-Kompressoren oder -Pumpen bezeichnet werden und dem Evakuieren einer geschlossenen Kammer dienen, und betrifft insbesondere eine Molekularpumpe, die eine gerippte Rotor- oder eine gerippte Stator-Konstruktion für verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.

Konventionelle Turbomolekularpumpen umfassen ein Gehäuse mit einem Einlaß, eine innere Kammer, die eine Vielzahl axialer Pumpstufen umfaßt, und eine Ausströmöffnung. Jede axiale Pumpstufe umfaßt einen Stator und einen Rotor mit schrägen Blättern. Die Rotorblätter rotieren mit hoher Geschwindigkeit, um das Pumpen des Gases zwischen Ein- und Ausströmöffnung zu gewährleisten.

Vakuumpumpsysteme, die axiale Pumpstufen in Kombination mit anderen Arten von Pumpstufen benutzen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei einer Konfiguration aus dem Stand der Technik werden eine oder mehrere der axialen Pumpstufen durch Scheiben ersetzt, die mit hoher Geschwindigkeit rotieren und als molekulare Pumpstufen fungieren. Diese Konfiguration ist im US Patent No. 5,238,362, erteilt am 24. August 1993 für Casaro und andere, offenbart, und wurde auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen. Eine Vakuumpumpe, umfassend einen axialen turbomolekularen Kompressor und einen molekularen Widerstandskompressor bzw. eine Molekularpumpe in einem gemeinsamen Gehäuse wird von Varian Associates, Inc. unter der Modellbezeichnung Nr. 969-9007 verkauft. Vakuumpumpen, die Molekularpumpscheiben und regenerierende Impeller bzw. Laufräder einsetzen, sind im Deutschen Patent Nr. 39 19 529, publiziert am 18. Januar 1990, offenbart.

Molekularpumpen, die im Englischen auch als Molecular Drag Compressors bezeichnet werden, umfassen eine rotierende Scheibe und einen Stator. Der Stator definiert einen tangentialen Flußkanal, einen Einlaß und einen Auslaß für den tangentialen Flußkanal. Eine stationäre Dampfsperre, oftmals Stripper genannt, angeordnet im tangentialen Flußkanal, trennt den Einlaß vom Auslaß. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird die Bewegungsenergie einer rotierenden Scheibe auf Gasmoleküle im tangentialen Flußkanal übertragen, wodurch die Moleküle zum Auslaß geführt werden. Die rotierende Scheibe und der Stator der Molekularpumpe werden durch eine schmale Spalte getrennt, typischerweise in den Größenordnungen von etwa 0,005 inch, ausgewählt um uneingeschränkte Rotation der Scheibe zu erlauben bei gleichzeitiger Minimierung der Undichtigkeit durch die Spalte.

Eine Version einer Molekularpumpe, entworfen von W. Gaede, wird in Vacuum Science and Technology, Pioneers of the 20th Century, Seiten 47-48, P.A. Redhead Editor, AIP Press, 1994 aufgeführt. Die Pumpe umfaßt verschiedene Stufen, die in Reihe angeordnet sind. Der Rotor ist gerippt ausgeführt.

Vakuumpumpen aus dem Stand der Technik, die einen axialen turbomolekularen Kompressor und eine Molekularpumpe umfassen, liefern im allgemeinen eine zufriedenstellende Leistungsfähigkeit unter einer Vielzahl von Bedingungen. Jedoch besteht ein Nachteil solcher Pumpen im Kompromiß zwischen Pumpgeschwindigkeit, das ist das gepumpte Gasvolumen pro Zeiteinheit, und dem Auslaßdruck. Wenn die Pumpenkonstruktion für ein Pumpen in Hochgeschwindigkeit optimiert wird, wird der erreichbare Auslaßdruck vermindert, und umgekehrt. Bezüglich der Molekularpumpstufe könnte die Pumpgeschwindigkeit erhöht werden durch Erhöhung des Querschnittsbereiches des tangentialen Flußkanals. Dies führt jedoch zu einem erhöhten Rückfluß durch den tangentialen Flußkanal, wodurch der erreichbare Auslaßdruck reduziert wird. Wünschenswert ist es, wenn man mit atmosphärischem Druck ausströmen lassen könnte, wodurch der Bedarf an einer Vorpumpe vermieden würde.

Dementsprechend ist es wünschenswert, eine Molekularpumpkonstruktion bereitzustellen, die gleichzeitig einen hohen Auslaßdruck und eine hohe Pumpgeschwindigkeit erreicht.

Bezüglich eines ersten Aspektes der Erfindung wird eine Stufe einer Molekularvakuumpumpe bereitgestellt. Die Stufe der Molekularvakuumpumpe umfaßt feststehende und rotierende Elemente, die in zusammenarbeitender Beziehung zueinander angeordnet sind, um eine Rotation der Rotationselemente relativ zu den feststehenden Elementen zu erlauben. Die feststehenden und rotierenden Elemente definieren einen Kanal mit einem Einlaß und einem Auslaß. Eines der feststehenden und rotierenden Elemente umfaßt beabstandete, abstandsmäßig unveränderliche Rippen, die im Kanal angeordnet sind. Die Rippen definieren einen oder mehrere tangentiale Strömungsunter- oder -subkanäle, die mit dem Einlaß und dem Auslaß verbunden sind. Die übrigen der feststehenden und rotierenden Elemente umfassen eine Dampfsperre, die im Kanal angeordnet ist. Die Dampfsperre und die Rippen haben komplementäre Geometrien, so daß die Dampfsperre den tangentialen Strömungssubkanal im wesentlichen blockiert. Gas wird durch die tangentialen Strömungssubkanäle vom Einlaß zum Auslaß gepumpt, wenn die rotierenden Elemente relativ zu den feststehenden Elementen rotieren.

In einer ersten Konfiguration sind die Rippen an den rotierenden Elementen angebracht und die Dampfsperre ist an den feststehenden Elementen angebracht. In einer zweiten Konfiguration sind die Rippen an den feststehenden Elementen angebracht und die Dampfsperre ist an den rotierenden Elementen angebracht. In jedem der Fälle erzeugt die Rotation der rotierenden Elemente eine Bewegung der Rippen relativ zur Dampfsperre.

Bezüglich eines weiteren Aspektes der Erfindung wird eine Stufe zum Molekularvakuumpumpen bereitgestellt. Die Stufe zum Molekularvakuumpumpen umfaßt eine Rotorscheibe, angekoppelt an eine Antriebswelle, die um eine Achse rotiert, einen Stator, der um die Rotorscheibe angeordnet ist und eine Dampfsperre. Der Stator definiert einen Kanal mit einem Einlaß und einem Auslaß, die Rotorscheibe umfaßt zwei oder mehrere beabstandete, umfangsmäßig gleich bleibende, d. h. unveränderliche Rippen, die im Kanal angeordnet sind. Die Rippen definieren einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle, von denen jeder am Einlaß und am Auslaß befestigt ist. Die Dampfsperre und die Rippen weisen kongruente Geometrien auf, so daß die Dampfsperre die tangentialen Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert. Gas wird durch die tangentialen Strömungssubkanäle vom Einlaß zum Auslaß gepumpt, wenn die Scheibe relativ zum Stator rotiert.

Bei einer ersten Ausführungsform ragt die Rippe axial in den Hohlraum. Ein oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle weisen einen gesamten Querschnittsbereich auf, der die Pumpgeschwindigkeit der Molekularpumpe definiert.

Bezüglich eines weiteren Aspektes der Erfindung wird eine integrierte Hochvakuumpumpe bereitgestellt. Die Vakuumpumpe umfaßt ein äußeres Pumpgehäuse mit einer Achse, einem axialen Turbomolekularkompressor, der im Gehäuse angeordnet ist, und eine Molekularpumpe, die im Gehäuse angeordnet ist. Der turbomolekulare Kompressor und die Molekularpumpe weisen jeweils ein rotierendes Teil auf, das an eine einzelne Motorantriebswelle gekoppelt ist, die axial entlang der Achse ausgerichtet ist. Die Molekularpumpe umfaßt wenigstens eine Molekularpumpstufe, die eine gerippte Rotor- oder gerippte Statorkonstruktion aufweist, wie diese beispielsweise vorstehend beschrieben wurde.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend bei der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Querschnittsansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Molekularpumpstufe;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Hochvakuumpumpe, die einen axialen turbomolekularen Kompressor und eine Molekularpumpe umfaßt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnittes der Molekularpumpstufe von Fig. 1, und die tangentialen Strömungssubkanäle, die durch die Rotorrippen definiert sind;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Querschnittes der Molekularpumpstufe von Fig. 1 und eine stationäre Dampfsperre zwischen der Einfuhr und der Ausfuhr;

Fig. 5 eine schematische teilweise Vorderansicht eines Querschnittes der Molekularpumpstufe von Fig. 1 und ein erstes Beispiel einer Einlaßkonfiguration;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Querschnittes der Molekularpumpstufe von Fig. 1 und ein zweites Beispiel einer Einlaßkonfiguration;

Fig. 7 Graph der Kompression als Funktion des Druckes, der die Leistungsfähigkeit einer Molekularpumpstufe der vorliegenden Erfindung und die Leistungsfähigkeit einer Molekularpumpstufe des Standes der Technik darstellt;

Fig. 7a eine schematische Darstellung eines Querschnittes der getesteten Molekularpumpstufe, deren Leistungsfähigkeit im Vergleich zu der herkömmlichen Leistungsfähigkeit Molekularpumpstufen von Fig. 7 dargestellt wird;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Molekularpumpstufe, welche tangentiale Strömungssubkanäle zeigt, die durch Rotorrippen definiert werden;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Querschnittes der Molekularpumpstufe von Fig. 8, welche eine stationäre Dampfsperre zeigt;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Querschnittes einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Molekularpumpstufe, welche tangentiale Strömungssubkanäle zeigt, die durch die Statorrippen definiert werden;

Fig. 11 eine schematische teilweise Vorderansicht eines Querschnittes der Molekularpumpstufe von Fig. 10 und eine Dampfsperre, die durch den Rotor definiert wird;

Fig. 12 eine schematische Ansicht eines Querschnittes des Rotors von Fig. 10 und 11;

Fig. 13 eine Draufsicht auf den Rotor aus den Fig. 10 und 11; und

Fig. 14 eine Unteransicht des Rotors aus den Fig. 10 und 11.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen detaillierter beschrieben.

Eine zum Einsatz bei der vorliegenden Erfindung geeignete integrale Hochvakuumpumpe wird in Fig. 2 gezeigt. Ein Gehäuse 10 definiert eine innenliegende Kammer 12, die einen Einlaß 14 und einen Auslaß 16 umfaßt. Das Gehäuse 10 umfaßt einen Vakuumflansch 18 zum dichten Anschließen des Einlasses 14 an eine Vakuumkammer (nicht dargestellt), die evakuiert wird. Der Auslaß 16 ist typischerweise mit einer Vakuumvorpumpe (nicht dargestellt) verbunden. In Fällen, in denen die Vakuumpumpe fähig ist, atmosphärischen Druck ausströmen zu lassen, wird die Vorpumpe nicht benötigt. Im Gehäuse 10 ist ein axialer turbomolekularer Kompressor 20 angeordnet, der typischerweise verschiedene axiale turbomolekulare Stufen umfaßt, und eine Molekularpumpe 22, die typischerweise verschiedene Molekularpumpstufen umfaßt. Jede Stufe des axialen turbomolekularen Kompressors 20 umfaßt einen Rotor 24 und einen Stator 26. Jeder Rotor und jeder Stator weist geneigte Blätter auf, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Jede Stufe der Molekularpumpe 22 umfaßt eine Rotorscheibe 30 und einen Stator 32. Die Molekularpumpe 22 wird nachfolgend noch detaillierter beschrieben. Der Rotor 24 jeder turbomolekularen Stufe und der Rotor 30 jeder Molekularpumpstufe ist an einer Antriebswelle 34 befestigt. Die Antriebswelle wird durch einen Motor mit Hochgeschwindigkeit angetrieben, der in einem Motorgehäuse 38 angeordnet ist.

Eine erste Ausführungsform einer Molekularpumpstufe, die zum Einsatz in der Molekularpumpe 22 geeignet ist, wird in den Fig. 1 und 3 bis 4 dargestellt. Die Molekularpumpstufe umfaßt eine Rotorscheibe 100 und einen Stator 102, die im Gehäuse befestigt sein können, wie in Fig. 2 gezeigt und nachfolgend beschrieben. Der Stator definiert einen Kanal 104, in dem die Rotorscheibe 100 rotiert. Wie im Stand der Technik bekannt, kann der Stator 102 in Abschnitten gefertigt sein. Beispielsweise kann ein oberer Statorabschnitt in der Nähe der oberen Oberfläche der Rotorscheibe 100 liegen, und ein unterer Statorabschnitt kann nahe der unteren Oberfläche der Rotorscheibe 100 liegen. Die Statorabschnitte sind aneinander sicher befestigt, um einen einheitlichen Stator zu bilden. Die Scheibe 100 ist zur Rotation um eine Achse 110 an einer Welle 108 befestigt.

Gemäß der Erfindung kann die Rotorscheibe 100 mit zwei oder mehreren beabstandeten, umfangsmäßig gleich bleibende bzw. sich nicht ändernde Rippen 120, 122, 124 und 126 bereitgestellt werden. Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 3 bis 4 ragen die Rippen 120, 122, 124 und 126 radial bezüglich der Achse 110 in den Kanal 104. Die Rippen definieren einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 3 bis 4 definieren die Rippen 120 und 122 einen tangentialen Strömungssubkanal 130; die Rippen 122 und 124 definieren einen tangentialen Strömungssubkanal 132; und die Rippen 124 und 126 definieren einen tangentialen Strömungssubkanal 134. Die Rippen 120, 122, 124 und 126, bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 3 bis 4 erstrecken sich um den Umfang der Rotorscheibe 100 und sind umfangsmäßig gleich. Folglich haben die Rippen 120, 122, 124 und 126 eine ringförmige Form. In einem zylindrischen Koordinatensystem definiert durch die Achsen 110, liegen die Rippen 120, 122, 124 und 126 in r-θ-Ebenen.

Außer in den tangentialen Strömungssubkanälen 130, 132, 134 wird ein schmaler Raum zwischen der Rotorscheibe 100 und dem Stator 102 bereitgestellt. Im speziellen wird ein kleiner Zwischenraum zwischen der oberen Oberfläche 120a der Rippe 120 und dem Stator 102 bereitgestellt, und ein schmaler Zwischenraum wird zwischen der unteren Oberfläche 126a der Rippe 126 und dem Stator 102 bereitgestellt. Ähnlich wird ein schmaler Zwischenraum zwischen der äußeren Peripherie der Rippen 120, 122, 124 und 126 und der Innenwand 102a des Stators 102 bereitgestellt. Der Zwischenraum ist typischerweise einige Tausendstel eines Inches breit und wird zur Beschränkung von Gasundichtigkeit zwischen der Rotorscheibe 100 und dem Stator 102 ausgewählt, wobei die uneingeschränkte Rotation der Rotorscheibe 100 erhalten bleibt.

Die Abmessungen der Rippen 120, 122, 124 und 126 und des Zwischenraumes zwischen den Rippen werden basierend auf der gewünschten Leistungsfähigkeit der Molekularpumpstufe ausgewählt. Typischerweise haben die Rippen 120, 122, 124 und 126 radiale Dimensionen der Größenordnung von 1 bis 3 cm und Dicken in der Größenordnung von 0,5 bis 1 mm. Der Abstand zwischen den Rippen kann in der Größenordnung von 1 bis 2 mm liegen. Die Abmessungen der Rippen werden zur Bereitstellung einer strukturellen Festigkeit während der Hochgeschwindigkeitsrotation ausgewählt. Die Abmessungen der tangentialen Strömungssubkanäle 130, 132 und 134 werden zur Bereitstellung einer gewünschten Pumpgeschwindigkeit ausgewählt, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird. Die Rotorscheibe 100 weist typischerweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 bis 20 cm auf. Es wird darauf hingewiesen, daß die oben angeführten Größenordnungen nur beispielhaft sind und nicht den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung beschränken.

Der Stator 102 umfaßt eine Dampfsperre 140, die jeden tangentialen Strömungssubkanal, der im Umfangsbereich liegt, blockiert. Die Rippen 120, 122, 124 und 126 und die Dampfsperre 140 weisen kongruente Geometrien auf, so daß die Dampfsperre jeden der tangentialen Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert. Im speziellen umfaßt die Dampfsperre 140 einen Finger 142, der in den tangentialen Strömungssubkanal 130 ragt, einen Finger 144, der in den tangentialen Strömungssubkanal 132 ragt und einen Finger 146, der in den tangentialen Strömungssubkanal 134 ragt. Die Finger 142, 144 und 146 sind hinsichtlich der Rippen 120, 122, 124 und 126 so dimensioniert, daß nur ein schmaler Zwischenraum zwischen der Rotorscheibe 100 und der Dampfsperre 140 bereitgestellt wird. Wie in Fig. 1 gezeigt, definiert der Stator 102 einen Einlaß 150 zu jedem der tangentialen Strömungssubkanäle und einen Auslaß 152 von jedem der tangentialen Strömungssubkanäle. Der Einlaß 150 und der Auslaß 152 liegen typischerweise auf gegenüberliegenden Seiten der Dampfsperre 140.

Die Molekularpumpstufe der vorliegenden Erfindung kann unterschiedliche Einlaß- und Auslaßkonfigurationen aufweisen. Beispiele axialer und radialer Einlaßkonfigurationen werden in den Fig. 5 bzw. 6 dargestellt. Gleiche Elemente in den Fig. 1 und 3 bis 6 haben die gleichen Bezugszeichen. Ein axialer Einlaß 150a wird in Fig. 5 dargestellt. Der Einlaß ist typischerweise in einem Umfangsbereich der Molekularpumpstufe angeordnet. Der Einlaß 150a empfängt Gas axial zur Achse 110 neben dem Umfang des Rotors 100. Der Einlaß 150a umfaßt einen Durchgang 160 zur Lieferung von Gas zu den tangentialen Strömungssubkanälen 130, 132, und 134. Ein radialer Einlaß 150b ist in Fig. 6 dargestellt. Der Einlaß 150b empfängt Gas radial zur Achse 110. Das Gas wird durch einen Durchgang 162 tangential zu den Strömungssubkanälen 130, 132 und 134 geführt. Der Auslaß der Molekularpumpstufe kann ähnliche Konfigurationen benutzen. Beispielsweise kann die Molekularpumpstufe an einer Seite einen axialen Einlaß und an der anderen Seite einen axialen Auslaß aufweisen. Diese Konfiguration ist besonders nützlich in Vakuumpumpen, die mehr als eine Stufe aufweisen. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Vielzahl verschiedener Einlaß- und Auslaßkonfigurationen, die im Schutzbereich der Erfindung liegen, eingesetzt werden können. Jedoch ist es wichtig, den maximalen Gasdurchfluß von der vorherigen Stufe zu allen Rippen zu erlauben, um jede Abnahme der Pumpengeschwindigkeit zu vermeiden. Wenn der axiale Gaseinlaß in der Mitte der Rippe 120 liegt, so wird die Geschwindigkeit der Stufe drastisch reduziert. Ferner kann die Molekularpumpstufe mehr als einen Einlaß und mehr als einen Auslaß aufweisen, wie in den Fig. 12 bis 14 dargestellt und unten beschrieben.

Im Betrieb wird das Gas von einer vorherigen Stufe oder einer anderen Gasquelle durch den Einlaß 150 empfangen. Die vorhergehende Stufe kann eine Molekularpumpstufe, eine axiale turbomolekulare Stufe oder jede andere geeignete Vakuumpumpstufe sein. Das Gas tritt durch die tangentialen Strömungssubkanäle 130, 132 und 134 ein und wird um den Umfang der tangentialen Strömungssubkanäle durch "Molecular Drag" bzw. molekulares Mitschleppen oder molekularen Impulsübertrag, welches durch die Rotation der Scheibe 100 erzeugt wird, gepumpt. Das Gas wird dann durch den Auslaß 152 zur nächsten Stufe oder zur Auslaßöffnung der Pumpe geführt.

Es kann beobachtet werden, daß die in den Fig. 1 und 3 bis 4 und oben beschriebenen Molekularpumpstufen sich vom Stand der Technik von Molekularpumpen in wichtiger Hinsicht unterscheiden. Wie am besten in Fig. 3 dargestellt, wird jeder der tangentialen Strömungssubkanäle 130, 132 und 134 an drei Seiten der Rotorscheibe 100 berandet. Beispielsweise wird der tangentiale Strömungssubkanal 130 an seiner oberen und unteren Oberfläche durch die Rippen 120 bzw. 122 berandet und an seiner Innenseite 130a durch die Rotorscheibe 100. Im Gegensatz dazu werden die tangentialen Flußkanäle im Stande der Technik der Molekularpumpstufen typischerweise nur an einer Seite von einer rotierenden Oberfläche berandet. Dadurch beeinflussen drei bewegliche Oberflächen der Rotorscheibe in der Molekularpumpstufe der Fig. 1 und 3 bis 4 die Gasmoleküle in den tangentialen Strömungssubkanälen, im Vergleich zu einer beweglichen Oberfläche im Stand der Technik der Molekularpumpstufen. Da die Molekularpumpstufe durch Übertragung der Bewegungsenergie der rotierenden Scheibe auf die Gasmoleküle arbeitet, wird die Leistungsfähigkeit des Gaspumpens in der Molekularpumpstufe der vorliegenden Erfindung erhöht, wobei der bewegliche Oberflächenteil im Vergleich zum feststehenden Oberflächenteil groß ist. Zusätzlich ist der Ausströmdruck wesentlich erhöht im Vergleich zu Molekularpumppumpen des Standes der Technik. Der Auslaß- oder Ausströmdruck der Molekularpumpe gemäß der Erfindung wird im Vergleich zum Stand der Technik von Molekularpumpen um einen Faktor von etwa 2 erhöht.

Die tangentialen Strömungssubkanäle 130, 132 und 134 weisen jeweils einen Einlaß und einen Auslaß auf und arbeiten parallel. Die Rippen 120, 122, 124 und 126 können als Unterteilung des Kanals 104 in die Unterkanäle 130, 132 und 134 angesehen werden, welche parallel zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Molekularpumpstufe angeschlossen sind. Die gesamte Pumpgeschwindigkeit der Molekularpumpstufe ist proportional zur Summe der Querschnittsbereiche der tangentialen Flußkanäle 130, 132 und 134. Durch Erhöhen der Anzahl der tangentialen Flußkanäle und/oder ihrer Querschnittsbereiche kann die Pumpgeschwindigkeit erhöht werden.

Ein Versuch wurde zum Vergleich der Leistungsfähigkeit der gerippten Rotorstruktur der vorliegenden Erfindung mit einer Struktur einer Molekularpumpstufe des Standes der Technik durchgeführt. Eine Rotorscheibe, die drei Rippen umfaßt, mit einer radialen Tiefe von 19,5 mm einer Dicke von 6 mm und einem Zwischenraum zwischen den Rippen von 2 mm wurde in einer Molekularpumpstufe getestet. Diese Molekularpumpe wurde im speziellen als eine zusätzliche Stufe auf dem Rotor einer Pumpe großer Ausmaße untersucht, bei der es notwendig ist, sowohl eine hohe Pumpgeschwindigkeit als auch die Kompressionsrate in viskoser Strömung aufrechtzuerhalten. Die getestete gerippte Rotorstruktur wird in Fig. 7a dargestellt. Eine ähnliche Scheibe ohne Rippen wurde in einer Molekularpumpstufe getestet. Die Ergebnisse werden in Fig. 7 dargestellt, wobei die Kompression als eine Funktion des Drucks der Vorvakuumleitung in Millibar ausgedrückt ist. Die Kurve 170 zeigt die Leistungsfähigkeit der Molekularpumpstufe mit geripptem Rotor und die Kurve 172 zeigt die Leistungsfähigkeit der Molekularpumpstufe mit einem herkömmlichen, nicht gerippten Rotor. Die Kompression der gerippten Rotorstufe, gezeigt in der Kurve 170, ist deutlich erhöht bei einem höheren Druck von 2 Millibar bis 10 Millibar. Die höhere maximale Kompressionsrate beim Stand der Technik war begründet durch eine größere transversale Beabstandung zwischen dem Rotor und der Kanalwand.

Eine zweite Ausführungsform einer Molekularpumpstufe gemäß der Erfindung wird schematisch in den Fig. 8 und 9 gezeigt. Die Molekularpumpstufe umfaßt eine Rotorscheibe 200 und einen Stator 202, die in einem Gehäuse befestigt sein können, wie in Fig. 2 dargestellt und nachfolgend beschrieben wird. Der Stator 202 definiert einen Kanal 204, in welchem die Rotorscheibe 200 rotiert. Die Rotorscheibe 200 ist an einer Welle (nicht dargestellt) befestigt zum Rotieren um eine zentrale Achse 210.

Die Rotorscheibe 200 wird mit zwei oder mehr beabstandeten, umfangsmäßig unveränderte Rippen 220, 222 bis 224 und 226 bereitgestellt. Bei der Ausführungsform der Fig. 8 und 9 ragen die Rippen 220, 222, 224 und 226 axial bezüglich der Achse 210 in den Kanal 204. Die Rippen definieren eine Mehrzahl tangentialer Strömungssubkanäle. Bei der Ausführungsform der Fig. 8 und 9 definieren die Rippen 220 und 222 einen tangentialen Strömungssubkanal 230; die Rippen 222 und 224 definieren einen tangentialen Strömungssubkanal 232; und die Rippen 224 und 226 definieren einen tangentialen Strömungssubkanal 234. Die Rippen 220, 222, 224 und 226 erstecken sich um den Umfang der Rotorscheibe 200 und sind umfangsmäßig unverändert. Folglich sind die Rippen 220, 222, 224 und 226 zylindrisch und konzentrisch. Wie in der Ausführungsform der Fig. 1 und 3 bis 4, werden die Größen der Rippen 220, 222, 224 und 226 und der Zwischenraum zwischen den Rippen auf der gewünschten Leistungsfähigkeit der Molekularpumpsstufe basierend ausgewählt. Die Größen der tangentialen Strömungssubkanäle 230, 232 und 234 werden ausgewählt, um die gewünschte Pumpgeschwindigkeit bereitzustellen.

Der Stator 202 umfaßt eine Dampfsperre 240, die jeden tangentialen Strömungssubkanal an einem Ort des Umfangs blockiert. Die Rippen und die Dampfsperre weisen komplementäre Geometrien auf, so daß die Dampfsperre jeden der tangentialen Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert. Im speziellen umfaßt die Dampfsperre 240 einen Finger 242, der in den tangentialen Strömungssubkanal 230 ragt, einen Finger 244, der in den tangentialen Strömungssubkanal 232 ragt, und einen Finger 246, der in den tangentialen Strömungssubkanal 234 ragt. Die Finger 242, 244 und 246 werden unter Beachtung der Rippen 220, 222, 224 und 226 so dimensioniert, daß ein schmaler Zwischenraum zwischen der Rotorscheibe und der Dampfsperre 240 bereitgestellt wird. Der Stator 202 definiert weiterhin einen Einlaß und einen Auslaß für jeden der tangentialen Strömungssubkanäle 230, 232 und 234 wie, vorstehend in Verbindung mit den Fig. 1, 5 und 6 beschrieben.

Es wird darauf hingewiesen, daß eine Anzahl von Varianten der Molekularpumpstufen im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfaßt sind. Die Molekularpumpstufe kann jede praktische Anzahl von Rippen aufweisen, wobei die Rippengrößen und die Rippenzwischenräume für eine bestimmte Anwendung ausgewählt werden. Die Rotorscheibe 100 im Beispiel der Fig. 1 und 3 bis 4 weist eine höhere axiale Größe im Bereich der Rippen 120, 122, 124 und 126 auf als in ihrem Zentralbereich. Im allgemeinen kann die Rotorscheibe eine einheitliche oder nicht einheitliche axiale Größe aufweisen, wobei der Stator eine komplementäre Geometrie aufweist. Es kann von Nutzen sein, eine Rotorscheibe mit einer einheitlichen Dicke in axialer Richtung in einer mehrstufigen Vakuumpumpe einzusetzen. Eine Rotorscheibe, die eine erhöhte axiale Dicke in der Nähe ihres äußeren Umfangs aufweist, stellt eine Möglichkeit für zusätzliche Rippen dar. Die Größe der Rippen und die Zwischenräume zwischen den Rippen werden für eine bestimmte Anwendung ausgewählt. Eine Vakuumpumpe kann gemäß der Erfindung eine oder mehrere Molekularpumpstufen umfassen.

Die Molekularpumpstufe der vorliegenden Erfindung wurde vorstehend mit umfangsmäßig unveränderten Rippen beschrieben, die an einer Rotorscheibe befestigt sind und mit einer Dampfsperre, die an einem Stator befestigt ist. Jedoch können die Rippen entweder am Rotor oder am Stator befestigt sein. Bei Konfigurationen, in denen die Rippen vom Stator in die Aushöhlung ragen, in welcher die Rotorscheibe rotiert, kann die Dampfsperre am Rotor befestigt sein.

Eine Molekularpumpstufe, die eine umgekehrt gerippte Geometrie aufweist, wobei der Stator mit Rippen bereitgestellt wird, wird bezüglich der Fig. 10 bis 14 beschrieben. Gleiche Elemente in den Fig. 10 bis 14 weisen die gleichen Referenznummern auf. Ein Stator 300 weist eine im allgemeinen zylindrische Innenwand 302 mit einer Mittenachse 320 auf. Ringförmige Rippen 310, 312 und 314 ragen innen von der zylindrischen Wand 302 nach innen. Die Rippen 310, 312 und 314 sind umfangsmäßig unverändert und liegen in r-θ Ebenen bezüglich der Achse 320. Eine in der Lage zur Rotation um die Achse 320 gebrachte Rotorscheibe 324, umfaßt ein Flansch 326 in nahegelegener Anordnung zur Rippe 310 und einem Flansch 328 in nahe gelegener Anordnung zur Rippe 314. Die Flansche 326 und 328 definieren einen Kanal zwischen sich. Die Rippen 310 und 312 und die Rotorscheibe 324 definieren einen tangentialen Strömungssubkanal 330; und die Rippen 312 und 314 und die Rotorscheibe 324 definieren einen tangentialen Strömungssubkanal 323.

Wie am besten in den Fig. 11 und 12 gezeigt, umfaßt die Rotorscheibe 324 Dampfsperren 340 und 342. Die Dampfsperren 340 und 342 sind bevorzugt beabstandet durch 180E bezüglich der Achse 320, um sicherzustellen, daß die Rotorscheibe 324 während der Rotation ausbalanciert ist. Wie in Fig. 11 gezeigt, umfaßt die Dampfsperre 340 einen Finger 344, der in den Unterkanal 330 ragt und einen Finger 346, der in den Unterkanal 332 ragt. Die Finger 344 und 346 sind in Hinsicht auf die Rippen 310, 312 und 314 so dimensioniert, daß eine kleiner Zwischenraum zwischen den Dampfsperren 340 und den Rippen 310, 312 und 314 bereitgestellt wird. Die Rippen und die Dampfsperre weisen komplementäre Geometrien auf, so daß die Dampfsperre jeden der tangentialen Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert. Die Dampfsperre 342 weist eine ähnliche Struktur auf.

Wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt, wird die Rotorscheibe 324 mit Einlässen 350 und 352 bereitgestellt, die sich von einer oberen Oberfläche 354 der Rotorscheibe 324 nach unten gerichtet erstrecken, um einen Zugang zu den tangentialen Strömungssubkanälen 330 und 332 benachbart zu jeder Dampfsperre bereitzustellen. Wie in den Fig. 12 und 14 gezeigt, wird die Rotorscheibe 324 mit Auslässen 360 und 362 bereitgestellt, die sich von einer tieferen Oberfläche 364 der Rotorscheibe 324 nach oben gerichtet erstrecken, um Zugang zu den tangentialen Strömungssubkanälen 330 und 332 benachbart zu jeder Dampfsperre bereitzustellen. Die Molekularpumpstufe der Fig. 10 bis 14 umfaßt einen Einlaß und einen Auslaß für jede Dampfsperre. Der Einlaß 350 und der Auslaß 362 sind an gegenüberliegenden Seiten der Dampfsperre 342 angeordnet; und der Einlaß 352 und der Auslaß 360 sind an gegenüberliegenden Seiten der Dampfsperre 340 angeordnet. Dieser Aufbau arbeitet dadurch wie zwei parallele Pumpstufen, wobei jede Pumpstufe die Hälfte des Umfangs der Rotorscheibe ausmacht. Im Betrieb wird das Gas durch die Einlässe 350 und 352 empfangen und tritt in die tangentialen Strömungssubkanäle 330 und 332 ein. Das Gas wird um den Umfang der tangentialen Strömungssubkanäle gepumpt durch Molekularwiderstand bzw. Impulsübertrag oder molekulares Mitziehen, welches durch die Rotation der Rotorscheibe 324 erzeugt wird. Das Gas wird dann durch die Auslässe 360 und 362 zur nächsten Stufe oder zur Auslaßöffnung der Pumpe weitergeleitet.

Im allgemeinen umfaßt die Molekularpumpstufe der vorliegenden Erfindung feste und rotierende Elemente, die eine zusammenarbeitende Beziehung aufweisen und gestatten eine Rotation der Rotationselemente relativ zu den feststehenden Elementen. Die feststehenden und die rotierenden Elemente definieren einen Kanal, der einen Einlaß und einen Auslaß aufweist. Eines der feststehenden und rotierenden Elemente umfaßt beabstandete, umfangsmäßig unveränderte Rippen, die im Kanal angeordnet sind. Die Rippen definieren einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle. Jeder der Unterkanäle ist mit dem Einlaß und dem Auslaß verbunden. Die übrigen der feststehenden und rotierenden Elemente umfassen eine Dampfsperre, die im Kanal angeordnet ist. Die Dampfsperre und die Rippen weisen komplementäre Geometrien auf, so daß die Dampfsperre die tangentialen Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert. Dadurch können die Rippen rotieren (wie in den Ausführungsformen der Fig. 1 und 3 bis 6, 8 und 9) oder können feststehend sein (wie in den Ausführungsformen der Fig. 10 bis 14). Wenn die Rippen feststehend sind, so rotiert die Dampfsperre relativ zu den Rippen.

Die Stufe einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Molekularvakuumpumpe umfaßt folglich eine Rotorscheibe, die an einer Antriebswelle zur Rotation um eine Achse gekoppelt ist, einen Stator, der um die Rotorscheibe angeordnet ist und eine Dampfsperre. Der Stator definiert einen Kanal mit einem Einlaß und einem Auslaß, und die Rotorscheibe umfaßt zwei oder mehrere beabstandete, umfangsmäßig unveränderte Rippen, die im Kanal angeordnet sind. Die Rippen definieren einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle, von denen jeder mit dem Einlaß und dem Auslaß verbunden ist. Die Dampfsperre und die Rippen weisen komplementäre Geometrien auf, so daß die Dampfsperre die tangentialen Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert. Gas wird durch die tangentialen Strömungssubkanäle vom Einlaß zum Auslaß gepumpt durch die Scheibenrotation relativ zum Stator. Die Rippen stellen in einer gegebenen Konfiguration der Stufe einer Molekularvakuumpumpe einen erhöhten Ausströmdruck bereit. In anderen Konfigurationen kann der Stator beabstandete Rippen aufweisen und der Rotor kann eine Dampfsperre aufweisen.

Claims (23)

1. Stufe einer Molekularvakuumpumpe, umfassend:
feststehende und rotierende Elemente, die in Wirkverbindung zueinander angeordnet sind, um eine Rotation eines rotierenden Elements relativ zu einem feststehenden Element zu erlauben, wobei das feststehende und das rotierende Element einen Kanal mit einem Einlaß und einem Auslaß definieren, wobei das feststehende oder das rotierende Element beabstandete, umfangsmäßig unveränderte Rippen aufweist, die im Kanal angeordnet sind, wobei die Rippen einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle definieren, die jeweils mit dem Einlaß und dem Auslaß verbunden sind, wobei die übrigen feststehenden und rotierenden Elemente eine im Kanal angeordnete Dampfsperre aufweisen, wobei die Dampfsperre und die Rippen komplementäre Geometrien aufweisen, so daß die Dampfsperre die tangentialen Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert, wobei das Gas durch das rotierende Element, das relativ zum feststehenden Element rotiert, durch die tangentialen Strömungssubkanäle vom Einlaß zum Auslaß gepumpt wird.

2. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 1, bei welcher die Rippen am rotierenden Element befestigt sind und die Dampfsperre am feststehenden Element befestigt ist.

3. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 1, bei welcher die Rippen am feststehenden Element angebracht sind und die Dampfsperre am rotierenden Element angebracht ist.

4. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 1, bei welcher die tangentialen Strömungssubkanäle einen gesamten Querschnittsbereich aufweisen, der die Pumpgeschwindigkeit der Stufe der Molekularvakuumpumpe im wesentlichen bestimmt.

5. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 1, bei welcher sich die Rippen bezüglich einer Rotationsachse des rotierenden Elementes radial erstrecken.

6. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 1, bei welcher sich die Rippen bezüglich einer Rotationsachse des rotierenden Elementes axial erstrecken.

7. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 1, bei welcher die Rippen eine Mehrzahl tangentialer Strömungssubkanäle definieren.

8. Stufe einer Molekularvakuumpumpe umfassend:
eine Rotorscheibe, die zur Rotation um eine Achse an eine Antriebswelle gekoppelt ist,
einen Stator, der um die Rotorscheibe herum angeordnet ist,
wobei der Stator einen Kanal mit Einlaß und Auslaß definiert, wobei die Rotorscheibe zwei oder mehrere beabstandete, umfangsmäßig unveränderte Rippen umfaßt, die im Kanal angeordnet sind, wobei die Rippen einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanale definieren, die jeweils mit dem Einlaß und dem Auslaß verbunden sind, und
eine Dampfsperre, die im Kanal angeordnet ist, wobei die Dampfsperre und die Rippen komplementäre Geometrien aufweisen, so daß die Dampfsperre einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert, wobei das Gas, durch die Scheibe, die relativ zum Stator rotiert, durch einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle vom Einlaß zum Auslaß gepumpt wird.

9. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 8, bei welcher die Rippen radial in den Kanal hineinragen.

10. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 8, bei welcher die Rippen axial in den Kanal hineinragen.

11. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 8, bei welcher die Rippen eine Mehrzahl von tangentialen Strömungssubkanälen definieren.

12. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 8, bei welcher die Dampfsperre Finger umfaßt, die in jeden der tangentialen Strömungssubkanäle hineinragen.

13. Hochvakuumpumpe, umfassend:
ein Pumpgehäuse mit einer Achse;
einen axial angeordneten turbomolekularen Kompressor, der im Gehäuse angeordnet ist, und
eine Molekularpumpe, die im Gehäuse angeordnet ist, wobei der turbomolekulare Kompressor und die Molekularpumpe einen rotierenden Abschnitt umfassen, der an eine einzige Motorantriebswelle gekoppelt ist, welche entlang der Achse ausgerichtet ist, wobei die Molekularpumpe wenigstens eine Molekularpumpstufe umfaßt mit:
einer Rotorscheibe, die an die Antriebswellen zur Rotation um die Achse gekoppelt ist,
einen Stator, der um die Rotorscheibe angeordnet ist, wobei der Stator einen Kanal mit einem Einlaß und einem Auslaß definiert, wobei die Rotorscheibe zwei oder mehrere beabstandete, umfangsmäßig unveränderte Rippen umfaßt, die im Kanal angeordnet sind, wobei die Rippen einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle definieren, die jeweils mit dem Einlaß und dem Auslaß verbunden sind, und
einer Dampfsperre, die im Kanal angeordnet ist, wobei die Dampfsperre und die Rippen komplementäre Geometrien aufweisen, so daß die Dampfsperre einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert, wobei Gas durch eine oder mehrere Strömungssubkanäle gepumpt wird vom Einlaß zum Auslaß durch die Scheibe, die relativ zum Stator rotiert.

14. Hochvakuumpumpe gemäß Anspruch 13, bei welcher die Rippen radial in den Kanal hineinragen.

15. Hochvakuumpumpe gemäß Anspruch 13, bei welcher die Rippen axial in den Kanal hineinragen.

16. Hochvakuumpumpe gemäß Anspruch 13, bei welcher die Rippen eine Mehrzahl von tangentialen Strömungssubkanälen definieren, die einen gesamten Querschnittsbereich aufweisen, der die Pumpgeschwindigkeit der Stufe der Molekularvakuumpumpe definiert.

17. Hochvakuumpumpe gemäß Anspruch 13, bei welcher die Dampfsperre Finger umfaßt, die in jeden der einen oder mehreren tangentialen Strömungssubkanäle hineinragen.

18. Integrale Hochvakuumpumpe, umfassend:
ein Pumpgehäuse, das eine Achse aufweist,
einen axial angeordneten turbomolekularen Kompressor, der im Gehäuse angeordnet ist, und
eine Molekularpumpe, die im Gehäuse angeordnet ist, wobei der turbomolekulare Kompressor und die Molekularpumpe jeweils einen rotierenden Abschnitt umfassen, der an eine einzige Motorantriebswelle, die entlang der Achse ausgerichtet ist, gekoppelt ist, wobei die Molekularpumpe wenigstens eine Molekularpumpstufe umfaßt, die feststehende und rotierende Elemente umfaßt, die in Wirkbeziehung zueinander angeordnet sind, um eine Rotation der Rotationselemente relativ zu den feststehenden Elementen zu erlauben, wobei die feststehenden und rotierenden Elemente einen Kanal mit Einlaß und Auslaß definieren, wobei jeweils eines der Elemente, das feststehende oder das rotierende Element, beabstandete, umfangsmäßig unveränderte Rippen aufweist, die im Kanal angeordnet sind, wobei die Rippen einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle definieren, von denen jeder mit dem Einlaß und dem Auslaß verbunden ist und das jeweils übrige Element, das feststehende oder das rotierende Element, eine Dampfsperre aufweist, die im Kanal angeordnet ist, wobei die Dampfsperre und die Rippen komplementäre Geometrien aufweisen, so daß die Dampfsperre die tangentialen Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert, wobei Gas durch das rotierende Element, das relativ zum feststehenden Element rotiert, durch die tangentialen Strömungssubkanäle vom Einlaß zum Auslaß gepumpt wird.

19. Integrale Hochvakuumpumpe gemäß Anspruch 18, bei welcher die Rippen am rotierenden Element befestigt sind und die Dampfsperre am feststehenden Element befestigt ist.

20. Integrale Hochvakuumpumpe gemäß Anspruch 18, bei welcher die Rippen am feststehenden Element befestigt sind und die Dampfsperre am rotierenden Element befestigt ist.

21. Stufe einer Molekularvakuumpumpe, umfassend:
feststehende und rotierende Elemente, die in zusammenwirkender Beziehung angeordnet sind, um eine Rotation der rotierenden Elemente relativ zu den feststehenden Elementen zu erlauben, wobei die feststehenden und rotierenden Elemente einen Kanal definieren, der einen Einlaß und einen Auslaß aufweist,
wobei das rotierende Element beabstandete, umfangsmäßig unveränderte Rippen aufweist, die im Kanal angeordnet sind, wobei die Rippen einen oder mehrere tangentiale Strömungssubkanäle definieren, von denen jeder mit dem Einlaß und dem Auslaß verbunden ist, wobei der Einlaß im Umfangsabstand zu den Rippen angeordnet ist, und
die feststehenden Elemente eine Dampfsperre aufweisen, die im Kanal angeordnet ist, wobei die Dampfsperre und die Rippen komplementäre Geometrien aufweisen, so daß die Dampfsperre die tangentialen Strömungssubkanäle im wesentlichen blockiert, wobei das Gas durch das rotierende Element, das relativ zum feststehenden Element rotiert, durch die tangentialen Strömungssubkanäle vom Einlaß zum Auslaß gepumpt wird.

22. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 21, bei welcher der Einlaß eine axiale Anordnung aufweist.

23. Stufe einer Molekularvakuumpumpe gemäß Anspruch 21, bei welcher der Einlaß eine radiale Anordnung aufweist.