DE3314001A1

DE3314001A1 - Turbomolekularpumpe

Info

Publication number: DE3314001A1
Application number: DE3314001A
Authority: DE
Inventors: Hideki Izumi; Osami Matsushita; Kousuke Noda; Takeshi Okawada; Nubuo Tsumaki; Shinjiro Ueda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-04-21
Filing date: 1983-04-18
Publication date: 1983-11-03
Also published as: GB8310531D0; GB2121110A; FR2525698A1; US4579508A; FR2525698B1; DE3314001C2; GB2121110B

Description

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TURBOMOLEKULARPUMPE

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe, die ins- · besondere für den Einsatz mit Geräten geeignet ist·, die ein ultrahohes Vakuum erfordern.

Gewöhnlich wird eine Turbomolekularpumpe zusammen mit einem Vakuum benötigenden Gerät verwendet, beispielsweise Kernfusionseinrichtungen, Elektronenmikroskopen und dergleichen. Das mit Turbomolekularpumpen erreichbare Vakuum beträgt heutzutage bis zu. 1,3 χ 10"^ Pa . Zusätzlich zu hohen Vacua-1Ö besteht neuerdings ein großes Bedürfnis für sogenannte reine Vacua, in denen sich kein Restgas aus Kohlenwasserstoffen, wie Öldampf, befindet.

Die Turbomolekularpumpe arbeitet nach dem Prinzip, daß·das Tubokompressionsverhältnis um so größer, ist, je höher das Molekulargewicht eines Gases ist. Somit ist diese Art von Pumpe in der Lage, Öldampf äußerst leicht abzuziehen, wodurch es möglich ist, reine Vacua zu erhalten. Turbomolekularpumpen dieser Bauart, die ölgeschmierte Kugellager zur Lagerung eines Rotors benutzen, haben jedoch den Nachteil," daß, obwohl der Vakuumbehälter frei von Verunreinigungen mit Öldampf während des Betriebs ist, eine Rückdiffusion des Dampf des Schmieröls eintritt, wenn die Pumpe zu arbeiten aufhört, was zu einer Verunreinigung des Vakuumbehälters führen kann. Um dies zu vermeiden wurden bereits verschiedene Vorschläge zur Verbesserung von Turbomolekularpumpen gemacht. Eine dieser Verbesserungen beschreibt eine Turbomolekularpumpe, bei der gesteuerte elektromagnetische Lagerungen verwendet werden (US-PS 4 023 920).

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Inzwischen besteht ein gesteigertes Bedürfnis für ultra- .

hohe Vacua. Um diesem Bedürfnis zu genügen, ist es erfor-

. derlich, die Gasfreisetzung an den Oberflächen von Teilen nicht nur der Vakuumkammer sondern auch der Pumpe selbst auf ein Minimum zu reouzieren. Um dies zu erreichen verläßt man sich nach üblicher Praxis auf das "Austrocknen", d.h. auf die Freigabe von Gas durch Erhitzen der Teile auf eine hohe Temperatur, wenn die Pumpe bei ultrahohen Vakuum arbeitet. Dieses Austrocknen bzw. Ausbacken wird so ausgeführt, daß die Temperatur der Oberflächen der Teile, die dem ultrahohen Vakuum ausgesetzt werden, auf einen hohen Pegel gebracht werden, damit das.von den Teilen absorbierte Gas soweit wie möglich freigesetzt werden kann, ehe die Pumpe als ganzes wieder auf Zimmertemperatur gebracht wird, um in ihr das hohe Vakuum zu erzielen. Die durch das Austrocknen erreichten Effekte können dadurch gesteigert werden, daß die Temperatur auf ein noch höheres Niveau gesteigert wird. Daraus ist zu folgern, daß es äußerst wirksam ist, die zulässige Temperatur für die Durchführung der "Austrocknung" zu steigern, um höhere Vacua zu erhalten.

Hinsichtlich der Steigerung dieser Austrocknungstermperatur auf die gewünschte Höhe ergeben sich jedoch einige Schwierigkeiten. Bei dem bisher verfügbaren Turbomolekularpumpen sind die Rotorlager auf der Hochvakuumseite oder der Ansaugsoite angeordnet. Die dabei verwendeten Lager sind gewöhnlich Kugellager mit Dämpfern und stromgespeiste Magnetlager mit Spulen. Solche Lager haben einen zulässigen Temperaturbereich zwischen etwa 100 und 120⁰C. Die zulässigen Temperaturen der Kugollager sind durch die zulässigen Temperaturen für das Schmieröl um die Lager selbst begrenzt, während sich bei den Magnetlagern Begrenzungen aufgrund des Temperaturbereichs ergeben, den d.io Umhüllung der

Wicklung aushält. Bei den bisher verfügbaren Turbomolekularpumpen ist deshalb die Austrocknungstemperatur auf eine Größe von unter 120⁰C beschränkt, was die obere Grenze des Austrocknungstemperaturbereich für Teile um die Saugöffnung der Pumpe herum ist. Dies hat zur Folge, daß das Erreichen höhere Vacua im Bereich ultrahoher Vacua schwierig ist, da aufgrund des zulässigen Temperaturbereichs für das Austrocknen Grenzen vorgegeben sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die dem.Stand der Technik anhaftenden Nachteile.· zu beseitigen und eine Turbomolekularpumpe zu schaffen,mit der sich höhere Vacua als beim Stand der Technik erreichen lassen, wobei die Vacua nicht nur rein sind, wenn die Pumpe arbeitet, sondern auch dann, wenn sie nicht .mehr arbeitet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Turbomolekularpumpe mit ortsfesten Schaufeln, die in einer Vielzahl von Stufen in einem Gehäuse axial angeordnet sind, mit bewegbaren Schaufeln, die zwischen den ortsfesten Schaufeln angeord- · net sind und am äußeren Umfang eines Rotor sitzen, der sich im Zentrum des Gehäuses befindet, und mit Lagereinrichtungen zum Abstützen des Rotors sowohl an der Stirnseite für hohes Vakuum als auch niedriges Vakuum erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lagereinrichtung an der Stirnseite des Rotor's für hohes Vakuum von einem Magnetlager mit Attraktionsbauweise gebildet wird, das einen ersten Permanentmagneten" in· ortsfester Anordnung und einen hohen Curie-Punkt seines Materials und einen zweiten Permanentmagneten aufweist, der in unmittelbaren Nähe des ersten-Permanentmagneten angeordnet ist.-

3Ci Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

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Fig. 1 im Axialschnitt eine erste Ausführungsform einer Turbomolekularpumpe und

Fig. 2 im Axialschnitt eine zweite Ausführungsform einer Turbomolekularpumpe.

Die in Fig. 1 gezeigte Turbomolekularpumpe hat ein Gehäuse mit einem ansaugseitigen Gehäuseteil 1, das eine Ansaugöffnung IA aufweist, einem Zwischengehäuseteil 2 und einem abführseitigen Gehäuseteil 3, das eine Abführöffnung 3A hat. Das saugseitige Gehäuseteil 1 und das abführseitige Gehäuseteil 3 sind mit dem dazwischenliegenden Gehäuseteil 2 durch Schraubenbolzen verbunden. Innerhalb des saugseitigen Gehäuseteils 1 und innerhalb des dazwischenliegenden Gehäuseteils 2 sind ortsfeste Schaufeln 4 in einer Vielzahl von Stufen axial angeordnet. Zwischen den stationären Schaufeln sind an einem Rotor 6 befestigte rotierende Schaufeln 5 angeordnet. Die ortsfesten Schaufeln 4 sind zwischen ringförmige Distanzstücke 7 eingesetzt,, die übereinander vertikal, angeordnet sind. Die rotierenden Schaufeln 5, die zusammen mit den ortsfesten Schaufeln 4 alternativ übereinander

?Λ) vertikal angeordnet sind, sind zwischen Distanzstücken 8 eingesetzt, die den Rotor 6 bilden, und daran durch Diffusionsbindemittel befestigt. Die beweglichen Schaufeln 5 und die Distanzstücke 7 und 8 bestehen vorzugsweise aus einer Titanlegierung, rostfreiem Stahl und dergleichen und haben eine hohe Festiakeit.

In einem oberen Abschnitt des Rotors 6, der die beweglichen Schaufeln 5 trägt, ist ein Ringraum S ausgebildet, der einen Permanentmagneten 9 enthält. Der Rotor 6 ist durch ein Permanontmagnetelement 9A in Ringform, das sich auf der Rotorseite des Raums S befindet, und durch ein weiteres Permanent-

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magnetelement 9B in Ringform gelagert, das in dem Raum S in unmittelbarer Nähe des Elements 9A angeordnet ist. In den Permanentmagneten 9 können die ringförmigen Permanentmagnetelemente 9A und 9B unterschiedliche Durchmesser haben und auf der Rotorseite bzw. der feststehenden Seite nahe beieinander angeordnet sein. Durch Verwendung einer solchen Magnetvorrichtung ist es möglich, eine radiale Rückstellkraft auszuüben, die zur Abstützung des Rotors 6 erforderlich ist. Das Permanentmagnetelement 9B ist an einem Trägerarm 10 befestigt, der sich radial von der Verbindung zwischen dem saugseitigen Gehäuseteil 1 und dem dazwischenliegenden Gehäuseteil 2 erstreckt. Die Permanentmagnetelemente 9A und 9B sind aus einem magnetischen Material der Seltenen Erden mit hohem Curie-Punkt hergestellt. Dieses spezielle magnetische Material wird bevorzugt, wenn die Notwendigkeit der Austrocknung besteht, da die magnetische Eigenschaft dieses Materials bei einer Erwärmung auf 3OQ⁰C nicht beeinträchtigt wird.

Die rotierenden Schaufeln 5 von wenigstens mehr als einer Stufe sind zwischen den gehäuseseitigen ortsfesten Schaufeln 4 in einem Abschnitt des Rotors 6 über den Lagerein- ■ richtungen der Stirnseite mit Hochvakuum oder dem Permanentmagneten 9 angeordnet. Die beweglichen Schaufeln 5 erzeugen am Hochvakuumende über dem Permanentmagnet 9 einen Druck, der einer unerreichten Druckkomponente entspricht, so daß das durch den Permanentmagnet 9 freigesetzte Gas keinen Einfluß auf die Saugseite ausübt.

Der Rotor 6 ist an seinem unteren Abschnitt durch ein stromgespeis-. tes radiales Magnetlager 12 und ein gesteuertes magnetisches Axiallager 13 gelagert. Die magnetischen Lager 12 und 13 werden von einem radialen Fühler 14 bzw. einem axialen Fühler 15 gesteuert.

Als Antriebsquelle für den Rotor 6 dient ein Motor 16, der

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sich im unteren Abschnitt des Rotors 6 am Ende mit niedrigen Vakuum befindet. Bei der gezeigten Ausführungsforrn ist der Motor 16 ein Flachmotor mit einer am Rotor 6 befestigten Rotorplatte 16A und einer am auslaßseitigen Gehäuseteil 3 befestigten Statorwicklung 16B. Alternativ kann als Motor 16 ein Hochfrequenzmotor verwendet werden.

Um unteren Abschnitt des Rotors 6 ist dort, wo sich das Magnetlager 12 befindet, ein Hilfslager 17 befestigt, das dazubeiträgt, den Rotor 6 unter Rotation zu halten, auch wenn die Energiezufuhr zu den aktiven Magnetlagern ausfällt. Das Hilfslager 17 ist ein Trockenrollenlager ohne Schmiermittel, um die Atmosphäre rein zu halten. Anstelle eines Rollenlagers kann als Hilfslager 17 ein trocken ausgeführtes Stützzapfenlaqer verwendet werden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsf.orm ist der Rotor an seinem oberen Abschnitt oder am Ende mit hohem Vakuum 'durch· die. anziehende Kraft des Permanentmagneten 9 und an seinem unteren Abschnitt oder auf der Seite mit niedrigem Vakuum durch die Magnetlager 12 und 13 für eine stabile Rotation gelagert. Wenn der Rotor 6 durch den Motor 16 in Drehung versetzt wird, werden Gasmoleküle durch Ansaugung aus dem r.n evakuierenden Gerät in die Ansaugöffnung IA gezogen, von wo sie zu der Ausiaßöffnung 3A mit einem hohen Komprensionsverhältnis strömen und dort nach außen abgeführt

25' werden. Bei diesem Vorgang kann ein Vakuum von mehr als 1,3 χ 10 Pa am saugseitigen Gehäuseteil 1 der Turbomolekularpumpe sowie in dem mit der Turbomolekularpumpe verbundenen Gerät erreicht werden. Dieses ultrahohe Vakuum wird dadurch erreicht-, daß die Bedingung erf ül It. wird, nämlich daß die

^J0 Bauteile im saugsoitigen Gehäuseteil 1 der Turbomolekularpumpe, die einem ultrahohen Vakuum ausgesetzt sind, eine Austrocknung bei einer Temperatur von etwa. 300⁰C unterworfen

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werden können. So bestehen die rotierenden Schaufeln 5 und dur Rotor 6 beispielsweise aus einer Titanlegierung oder aus rostfreiem Stahl, während der Permanentmagnet 9 aus einem magnetischen Material auf Seltner Erdenbasis hergestellt ist, das bei hoher Temperatur behandelt werden kann. Es ist äußerst vorteilhaft, daß die Austrocknungstemperatur auf die genannte Höhe angehoben werden kann, und zwar sowohl vom Gesichtspunkt der Steigerung des erreichbaren Vakuums als auch vom Gesichtspunkt der Reduzierung des Zeit, die zur Erreichung eines ultrahohen Vakuums erforderlich ist. Die Magnetlager 12 und 13 auf der Seite mit niedrigem Vakuum der Turbomolekularpumpe sind einem geringen Vakuum ausgesetzt, so daß die bei. einer Temperatur von etwa 120⁰C ausgeführte Austrocknung, wie sie üblicherweise verwendet wird, toleriert .werden kann.

Die beschriebene Ausführungsform hat den Vorteil, daß durch den Einsatz einer Lagereinrichtung, die aus dem Permanentmagneten 9 besteht, um den Rotor 6 zu lagern, in Form eines Radiallagers in seinem oberen Abschnitt oder am Ende mit hohem Vakuum, die Anzahl der verwendeten s trangespeisten Magnet lagerteile verglichen mit dem Stand der Technik stark reduziert werden kann, was weniger Aufwand bedeutet. Die Verwendung des Hilfslagers 17 im untern Abschnitt oder am Ende des Rotors; 6 mit niedrigem Vakuum ermöglicht eine Reduzierung des Durchmessers des Lagers 17. Dies führt wiederum zu einer verringerten Umfangsgeschwindigkeit während des Rotorbetriebs Obwohl das Hilfslager 17 ein trockenes Lager ist, kann eine Beschädigung der Lager bei einer Notabschaltung stark reduziert werden, wodurch Wartungsschwierigkeiten gegenüber'.

dem Stand der Technik auf ein Minimum reduziert werden können.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform werden die Magnetlager 12 und 13 zum Lagern des Rotors 6 in seinem unteren Abschnitt eingesetzt. Die Lager 12 und 13 können auch durch

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ein hydrodynamisches Stützlager 18 ersetzt werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Das hydrodynamische Stützzapfenlager 18 hat eine Stützschaft 18A und ein Lagerkörper 18B, der in ein Schmiermittel 19 eintaucht.

Die Verwendung des■hydrodynamischen Stützzapfenlagers 18, das einen Schaft mit kleinem Durchmesser hat, hat den Vorteil, daß seine Umfangsgeschwindigkeit niedrig ist und daß die im Betrieb erzeugte Wärmemenge gering ist. Vergleicht man diese Art der Lagerung mit dem Rollenlager unter gleichen. Belastungs- und Drehzahlbedingungen, so hat dieses Lager den Vorteil, daß ein Schmiermittel mit niedrigem Dampfdruck und hoher Viskosität verwendet werden kann. Ein Beispiel für ein Schmiermittel, das erfindungsgemäß eingesetzt werden kann, ist ein Öl auf Fluorbasis mit einem Dampfdruck von weniger als 1,3 χ 10 Pa bei Raumtemperatur,

Mit der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist es möglich, eirr reines ultrahohes Vakuum im oberen Abschnitt oder dem saugseitigen Abschnitt der Termomolekularpumpe im Fall der Ausführungsform der Fig. 1 sowohl während des Betriebs der Pumpe als auch bei abgeschalteter Pumpe zu erhalten, wenn ein hydrodynamisches Stützlager 18 benutzt wird. Das mit Öl geschmierte hydrodynamische Stützlager 18 wird zum Lagern des unteren Abschnitts des Rotors 6 verwendet, so daß dies die einzige Stelle ist, wo Öldampf erzeugt werden kann. Da dai; verwendete Schmiermittel einen sehr niedrigen Dampfdruck hat, kann die Verunreinigung der Pumpe mit Dampf des Schmiermittels bei abgeschalteter Pumpe auf ein Minimum ; reduziert werden.

Dies ist ein wesentlicher Vorteil der Ausführungsform von Fig. 2 verglichen mit der bekannten Turbomolekularpumpe, die Kugellager verwendet. Bei der bekannten Pumpe wird für

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die Schmierung des Kugellagers ein Öl mit einem Dampfdruck von etwa 1,3 χ 10 Pa verwendet, beispielsweise Spindelöl. Wenn dabei die Pumpe abgeschaltet wird/ setzt eine Rückdiffusion des Öldampfszur Seite des Hochvakuums hin ein, wodurch der Vakuümbehälter verunreinigt wird. Dieses Problem ist im wesentlichen bei der erfindungsgemäßen Äusführungsform von Fig. 2 beseitigt, da der Partialdruck des Öldampfs auf einem Wert von unter 1,3 χ 10 Pa gehalten wird. Außerdem verdampft das verwendete Öl nur schwer, so daß im wesentlichen keine Notwendigkeit besteht, eine zusätzliche Ölversorgung vorzusehen. Dies erleichtert die Wartung der Pumpe. Außerdem ist diese Ausführungsform im Hinblick auf die Kosten verglichen mit einer .Pumpe, welche aktive bzw. stromführende Magnetlager verwendet, vorteilhaft, da keine Notwendigkeit mehr besteht, einen .Steuerabschnitt und einen Elektromagneten für jedes Lager einzusetzen. ·

Bei der erfindungsgeniaßen Turbomolekularpumpe- können die Teile, die dem ultrahohen Vakuum ausgesetzt werden,, bei hoher Temperatur ausgetrocknet.werden. Dies ermöglicht das Erreichen höherer Vacua als bei den bekannten Turboinolekularpumpen. Erfindungsgemäß erhält man somit eine Turbomolekularpumpe mit zuverlässiger Leistung, die der geräteseitigen Anforderungen genügt, nämlich im Gerät ein ultrahohes Vakuum zu erreichen.

ORIGINAL INSPECTED

Leerseite

Claims

33H001

F α N E R ΈΓ Ö* B ΓΊμ G H Ά ϋ* S FINCK

PATENTANWÄLTE. EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

MARIAHILFPLATZ 2*3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 OI 6O, D- 8OOO MÖNCHEN 95

HITACHI, LTD. DEAC-30949 .9

18. April 1983

T URBOMOLEKULARP UMPE

Patentansprüche

ΐ 1.! Turbomolekularpumpe mit einem Gehäuse (1, 2, 3) mit "" einer Vielzähl von ortsfesten Schaufeln (4), die in einer Vielzahl von Stufen in dem Gehäuse axial angeordnet sind, mit einer Vielzahl von rotierenden Schaufeln (5), die abwechselnd zwischen den ortsfesten Schaufeln (4) positioniert und am äußeren Umfang eines Rotors (6) angeordnet sind, der sich im Mittelabschnitt des Gehäuses (1, 2, 3) befindet, und mit Lagereinrichtungen (9; 12, 13; 18) die den Rotor (6) auf seiner Hochvakuumseite und seiner Niedervakuumseite lagern, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinrichtung (9) auf der Hochvakuumsseitc ein erstes Permanentmagnotelement (9B), das in einer ortsfesten Position angeordnet ist und die Eigenschaft hat, daß Curie-Punkt seines Materials hoch ]5 ist, und ein zweites Permanentmagnetelement (9A) auf der Rotorseite aufweist, das in geringem Abstand zum ersten Permanentmagnetelement (9B) angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Permanentmagnete 1 ement (9A, 9B) ein Magnetlager in anziehender Bauweise bilden.
2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetelemente (9A, 9B) aus einem magnetischen Material auf Seltene Erdenbasis hergestellt sind.
3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Permaneritmagnetelement (9B) von einem Tragarm (10.) gehalten ist, der mit dem Gehäuse (1, 2, 3) so verbunden ist, daß das erste Permanentmagnete leinen t (9B) in einem Ringraum (S) positioniert ist, der am äußeren Umfang des Rotors (6) zwischen den beweglichen Schaufeln (5) ausgebildet ist, wobei das zweite Permanentmagnetelement (9A) an dem Rotor (6) innerhalb des Ringraums (S) so angeordnet ist,. daß es sich in unmittelbarer Nähe gegenüber, dem ersten Permanentmagnetelement (9B) befindet.
4. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 3, dadurch· gekennzeichnet, daß das erste Permanentmagnetelement (9B) eine Vielzahl von ringförmigen Permanentmagnetelementen mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, während das zweite Permanentmagnetelement (9A), das in ■ unmittelbarer Nähe des ersten Permanentmaynetelements (9B) angeordnet ist, ein ringförmiges Permanent'magnet-• element aufweist, das nahe an der Vielzahl des ringförr migen Permanentmagnetelemente angeordnet ist, die das erste Permanentmagnetelement (9B) bilden.
5. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (-6) wenigstens mehr als eine Stufe rotierender Schaufeln (5) aufweist, die an einem Ende des Rotors, (6) mit.

höherem Vakuum über der Lagereinrichtung (9) an der Stirnseite mit hohom Vakuum angeordnet sind, wobei wo-

nigstens mehr als eine Stufe der rotierenden Schaufeln (5) zwischen den ortsfesten Schaufeln (4) auf der Saugseite positioniert ist.
6. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinrichtung auf der Stirnseite eines Rotors (6) mit niedrigem Vakuum stromführende Magnetlager (12, 13) aufweist.
7. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinrichtung auf der Stirnseite des Rotors (6) mit niedrigem Vakuum ein hydrodinamisches Stützzapfenlager (18) ist.