DE3442843A1 - Vakuumpumpe - Google Patents

Description

Vakuumpumpe

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, in deren Auslaßöffnung Atmosphärendruck herrscht, und inbesondere eine Vakuumpumpe in Integralbauweise, die eine Reduzierung der für den Pumpenbetrieb erforderlichen Leistung sowie den Aufbau eines reinen Vakuums ermöglicht.

Geräte für die Kernverschmelzung, Vorrichtungen zur Herstellung von Halbleitern sowie Elektronenmikroskope erfordern völlig dichte Vakuumkammerη. Um dies zu erreichen, ο verwendet man eine Turbomolekularpumpe mit einer hohen Evakuierungsleistung im molekularen Strömungsbereich. Die Kennlinie einer solchen Turbomolekularpumpe hängt jedoch vom Umgebungsdruck der Pumpe ab. Um beispielsweise ein hohes Auslegungsvakuum zu erhalten, muß der Auslaßöffnungsdruck 1,33 oder 0,133 Pa betragen, was einen Vorprozess bei Einsatz einer Hilfspumpe erfordert. Gewöhnlich wird eine Rotationsvakuumpumpe mit Ölabdichtung als Hilfspumpe eingesetzt. Obwohl die Turbomolekularpumpe die Erzielung eines ultrahohen Vakuums ermöglicht, ist aufgrund der Nachteile, nämlich der Größe, der hohen Kosten und dem erforderlichen Einsatz einer Vorstufenpumpe, die Verwendung der Turbomolekularpumpe begrenzt, so daß ein steigendes Bedürfnis nach Ionenpumpen oder ähnlichen Pumpen besteht, die die Turbomolekularpumpen ersetzen können.

Aufgrund dieser Umstände hat man das Prinzip der Turbomolekularpumpe mit den Eigenschaften anderer Pumpenarten in Form einer Vakuumpumpe in Integralbauweise kombiniert, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 969 039 beschrieben ist. Diese Vakuumpumpe besteht aus einer axialen Turbomolekularpumpe, die als erste Stufe installiert ist, einer Spiralmolekularpumpe, einer Radialkompressorpumpe und einer Wirbeldiodenpumpe, die hintereinander in dem Gehäuse längs einer einzigen Welle von der Einlaßöffnung

zur Auslaßöffnung angeordnet sind.

Bei dieser bekannten Vakuumpumpe tritt der größte Teil der Pumpenreibungsverluste an der Auslaßöffnungsseite oder an der Wirbeldiodenpumpenstufe auf, die sich nahezu auf Atmosphärendruck befindet. Da die Laufräder dieser Pumpenstufe ähnlich in der Form wie die der Radialkompressorstufe sind, ist das Kompressionsverhältnis der Wirbeldiodenpumpe proportional zum Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit. Die Umfangsgeschwindigkeit kann dadurch gesteigert werden, daß entweder der Radius der Laufräder vergrößert oder die Drehzahl gesteigert wird. Die Drehzahl ist durch die kritische Drehzahl begrenzt, so daß nur die Radiussteigerung bleibt. Da der Scheibenreibungsverlust proportional zur fünften Potenz des Radius zunimmt, wird sehr viel Wärme in Laufrädern mit großem Durchmesser erzeugt. Das Gas, welches durch die Wirbeldiodenpumpenstufe hindurchgeht, ist bereits wesentlich durch den Radialkompressor komprimiert worden, der als vorhergehende Stufe installiert ist. Demzufolge ist das Gasvolumen geringer. Ebenso ist der Wärmeübergang durch das Gas klein, wodurch der Kühlprozess weniger wirksam wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb dar in ,bei einer Vakuumpumpe , deren Auslaßöffnungsdruck gleich dem Atmosphärendruck ist, den Reibungsverlust und die sich ergebende Wärme der letzten Pumpenstufe der Vakuumpumpe zu reduzieren, um dadurch die für den Pumpenbetrieb erforderliche Leistung zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vakuumpumpe gelöst, die aus einer Vielzahl von unterschiedlichen 0 Arten von Pumpenstufen besteht, die hintereinander längs einer einzigen Welle von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung hin angeordnet sind, wobei die letzte Pumpenstufe einer Peripheralpumpenstufe bzw. eine Wirbelpumpenstufe ist. Die Peripheralpumpenstufe besteht aus einer rotierenden

Scheibe, an deren Außenumfang viele Wirbelblätter bzw. Wirbelschaufeln angebracht sind und deren Durchmesser kleiner ist als der der vorhergehenden Stufe, und aus einer stationären Scheibe, welche die rotierende Scheibe umgibt, wobei von der rotierenden Scheibe und der stationären Scheibe ein Strömungskanal gebildet wird.

Erfindungsgemäß kann bei der Vakuumpumpe die letzte Stufe auch eine Schraubenpumpenstufe sein, die aus einem rotierenden Zylinder, dessen Durchmesser kleiner ist als der der vorhergehenden Stufe, und aus einer rotierenden Scheibe besteht, die dem Außenumfang des rotierenden Zylinders gegenüberliegt. Von einer spiralförmig verlaufenden Nut, die entweder in der rotierenden äußeren Umfangsfläche des Zylinders oder in der Oberfläche der ortsfesten Scheibe, die der Umfangsfläche des Zylinders zugewandt ist, ausgespart ist, wird ein Strömungskanal gebildet.

Da bei diesem Aufbau die Pumpenstufe auf der Atmosphärenseite, wo der Hauptteil des dynamischen Verlustes erzeugt wird, eine Peripheralpumpe oder eine Schraubenpumpe ist, die das gewünschte Kompressionsverhältnis bei relativ kleinem Durchmesser erreichen läßt, ist es möglich, den Reibungsverlust der letzten Pumpenstufe zu verringern und so die in dieser Pumpenstufe erzeugte Wärme auf ein Minimum zu reduzieren, wodurch die erforderliche Leistung für den Vakuumpumpenbetrieb verringert werden kann.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform einer Vakuumpumpe,

Fig. 2 im Axialschnitt die stationäre Scheibe der Spiralmolekularpumpe von Fig. 1,

Fig. 3 den Schnitt II-II von Fig. 2,

Fig. 4 im Axialschnitt den Radialkompressor von Fig. 1,

Fig. 5 den Schnitt III-III von Fig. 4,

Fig. 6 im Axialschnitt die Peripheralpumpenstufe von Fig. 1,

Fig. 7 den Schnitt IV-IV von Fig. 6,

Fig. 8 im Axialschnitt eine zweite Ausführungsform einer Vakuumpumpe und

Fig. 9 im Axialschnitt eine dritte Ausführungsform der Vakuumpumpe.

Die bezüglich der Mittellinie I-I in Fig. 1 symmetrisch ausgebildete erste Ausführungsform der Vakuumpumpe wird anhand des Aufbaus der rechten Pumpenhälfte erläutert.

Durch ein Gehäuse 4 geht eine rotierende Welle 1. Das Gehäuse 4 hat eine Einlaßöffnung 2 und eine Auslaßöffnung 3. Die Welle 1 ist in Lagern drehbar abgestützt. Ein Ende der rotierenden Welle 1 ist mit einem nicht gezeigten Antrieb verbunden. Im Gehäuse 4 sind eine Spiralmolekularpumpenstufe 5, eine Radialkompressorstufe 6 und eine Spiralpumpenstufe 7 vorgesehen, die in dieser Reihenfolge längs der Welle von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung 3 hin angeordnet sind.

Die Spiralmolekularpumpenstufe 5 besteht aus rotierenden Scheiben 8, die an der rotierenden Welle 1 befestigt sind, und aus ortsfesten bzw. stationären Scheiben 9, die an der Innenwand des Gehäuses 4 festgelegt sind. Die rotierenden und stationären Scheiben sind abwechselnd angeordnet. Die stationären Scheiben 9, wie sie in Fig. 2

und 3 gezeigt sind, haben Spiralnuten 10, die in der Oberfläche ausgespart sind, die der nächstgezeigten rotierenden Scheibe zugewandt ist, d.h. in Fig. 2 die rechte Seite der Scheibe.

Die Radialkompressorstufe 6, wie sie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, hat Schaufelräder 12, die auf der rotierenden Welle 1 sitzen, sowie stationäre Scheiben 14, die an dem Gehäuse 4 angebracht sind, wobei die Schaufelräder und die stationären Scheiben abwechselnd zueinander vorgesehen sind. Jedes der Schaufelräder 12 ist mit einer Vielzahl von radial'angeordneten Flügeln 11 auf einer Seite versehen. Wie in Fig. 4 gezeigt, hat jede stationäre Scheibe 14 eine Vielzahl von Rückführkanälen 13 auf der Seite, die der Oberfläche des Schaufelrads 12 zugewandt ist, an der keine Flügel 11 befestigt sind.

Die Peripheralpumpenstufe 7, wie sie in Fig. 6 und 7 gezeigt ist, besteht aus einem Schaufelrad 16, das auf der rotierenden Welle 1 sitzt und eine Vielzahl von

^ radial vorstehenden Flügeln 15 an ihrem Umfang hat, sowie aus einem Paar von stationären Scheiben 17, die an dem Gehäuse (nicht gezeigt) befestigt sind und das Schaufelrad 16 umschließen. Das Paar von stationären Scheiben 17 bildet dabei einen Strömungskanal 18, wie dies in Fig.

gezeigt ist. In diesem Aufbau sind zwei Sätze parallel angeordnet.

Im folgenden wird die Wirkungsweise dieser Pumpenkonstruktion gemäß der ersten Ausführungsform erläutert.

Das abzuziehende Gas, welches in die Einlaßöffnung 2 des Gehäuses 4 eingetreten ist, strömt in die Spiralnuten der stationären Scheibe 9 der Spiralmolekularpumpenstufe

5. Das Gas strömt dann zwangsweise durch die Spiralnuten

10 der gegenüberliegenden stationären Scheibe 9 aufgrund des Schleppeffekts, d.h. des Viskositätseffekts der rotierenden Scheibe 8. Diese Wirkung wiederholt sich bei den darauffolgenden Scheiben. Das aus der Spiralmolekularpumpenstufe 5 austretende Gas tritt nun in die Radialkompressorstufe 6 ein. Nach dem Durchgang durch den Schaufelradkanal, der von dem Schaufelrad 12 der Pumpenstufe 6 gebildet wird, wird das Gas aus der Radialkompressorstufe 6 herausgedrückt. Nach dem Austritt des Gases aus der Radialkompressorstufe 6 tritt es in die Peripheralpumpenstufe 7 bzw. Wirbelpumpenstufe 7 ein, in welcher das Gas auf nahezu Atmosphärendruck durch die radial angeordneten Flügel 15 verdichtet wird, ehe es an die Umgebungsatmosphäre durch die Auslaßöffnung 3 abgegeben wird.

Bei dieser Ausführungsform hat die Spiralmolekularpumpenstufe 5 ein hohes Verdichtungsverhältnis. Sie kann so die Molekularpumpenwirkung bei niedrigen Drucken ausführen .

Die Radialkompressorstufe 6, die im viskosen Strömungsbereich wirksam ist, arbeitet in dem Druckbereich von Atmosphärendruck bis zu einigen 10 Pa. Somit schafft sie eine Druckumgebung, die zu einem wirksamen Betrieb der Spiralmolekularpumpenstufe 5 führt.

Da der Druckanstiegskoeffizient in der Nähe des Absperrpunkts bzw. Drosselpunkts der Peripheralpumpenstufe 7 fünf-bis zehnmal größer ist als der der Radialkompressorstufe 6, kann der Durchmesser des Schaufelrads 16 zur Erzielung des gleichen Dichtungsverhältnisses verringert werden. Es ist deshalb möglich, den Reibungsverlust des Schaufelrads 16 und die daraus resultierende Wärme zu verringern.

Die in Fig. 8 gezeigte zweite Ausführungsform ist im

Aufbau bezüglich der Mittellinie I-I symmetrisch, wobei der Aufbau nur anhand der rechten Hälfte erläutert wird.

In dem Gehäuse 4 sind eine Spiralmolekularpumpenstufe 5, eine Radialkompressorstufe 6 und eine Schraubenpumpenstufe 19 längs der Welle 1 in dieser Reihenfolge von der Einlaßöffnung 2 zur Auslaßöffnung 3 hin angeordnet. Die Spiralmolekularpumpenstufe 5 und die Radialkompressorstufe 6 entsprechen im Aufbau denen der ersten Ausführungsform.

Die Schraubenpumpe 19 besteht aus einem Gehäuse 21, "das an der Innenwand des Gehäuses 4 angeordnet ist und einen zylindrischen Abschnitt 21 afuweist, sowie aus einem rotierenden Zylinder 22, der in den zylindrischen Abschnitt 20 eingesetzt und an der rotierenden Welle 1 befestigt ist. Der rotierende Zylinder 22 hat eine Spiralnut 23, die in seiner äußeren Oberfläche ausgespart ist. Die rotierenden Scheiben 8, die Schaufelräder 12 und der rotierende Zylinder 22 sind an der rotierenden Welle 1 befestigt. Zwischen dem Gehäuse 21 und der Wand <äes Gehäuses 4 ist ein Distanzstück 24 eingesetzt.

Obwohl bei dieser Ausführungsform eine Spiralnut 23 für den rotierenden Zylinder 22 der Schraubenpumpenstufe 19 vorgesehen ist, ist es auch möglich, die Spiralnut an der Innenfläche des zylindrischen Abschnitts 20 auszubilden, die dem rotierenden Zylinder 22 zugewandt ist.

Die vorstehend beschriebene zweite Ausführungsform einer Vakuumpumpe arbeitet folgendermaßen:

Das abzuziehende Gas, das in die Einlaßöffnung 2 des Gehäuses 4 eingetreten ist, geht durch die Spiralmolekularpumpenstufe 5 und die Radialkompressorstufe 6 zur Schraubenpumpe 19. Die Einwirkung aus dem Gasstrom, bis er die Schraubenpumpe 19 erreicht, entspricht der der

ersten Ausfuhrungsform.

Das aus der Radialkompressorstufe 6 austretende Gas tritt nun in die Schraubenpumpenstufe 19 ein, wo es durch den Viskositätseffekt des mit Nuten versehenen rotierenden Zylinders 22 komprimiert wird, ehe es aus der Auslaßöffnung 3 abgeführt wird.

Bei der zweiten Ausführungsform ermöglicht die letzte Pumpenstufe, also die Schraubenpumpenstufe 19, eine Verringerung des Durchmessers ihres rotierenden Zylinders 22. Dies ermöglicht wiederum eine wesentliche Reduzierung des Reibungsverlustes und somit der für die gesamte Pumpe erforderlichen Leistung.

Die in Fig. 9 gezeigte dritte Ausführungsfrom einer Vakuumpumpe, deren Aufbau dem der zweiten Ausführungsform sehr ähnlich ist, unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, daß sie eine Bypassöffnung hat, die in dem Gehäuse 21 der Schraubenpumpenstufe ausgebildet ist, und daß ein Öffnungs-Schließ-Mechanismus 28 in der Bypassöffnung 25 installiert ist, der beispielsweise aus einem Deckel 26 und einer Feder 27 besteht.

Der Öffnungs-Schließ-Mechanismus 28 in der Bypassöffnung 25 arbeitet so, daß, wenn der Druck auf der Seite der Einlaßöffnung 2 niedriger ist als auf der Seite der Auslaßöffnung 3, d.h. wenn der Druck innerhalb des Deckels 26 (innerhalb der Bypassöffnung 25) niedriger als der Druck außerhalb des Deckels 26 (auf der Auslaßöffnungsseite) ist, der Deckel 26 gegen die Kraft der Feder 27 schließt. Wenn.im entgegengesetzten Fall der Druck in der Bypassöffnung 25 höher ist als der auf der Auslaßöffnungsseite, öffnet der Deckel 26 unterstützt von der Federkraft.

Am Anfang ist im allgemeinen der Einlaßdruck hoch. Der Druck innerhalb der Pumpe ist höher als der auf der Abgabeseite, so daß das Hochdruckfluid, das von der Radialkompressorstufe komprimiert wird, durch den öffnungs-Schließ-Mechanismus 28 und die Bypassöffnung 25 geführt und aus der Auslaßöffnung 3 abgegeben wird. Als Folge nimmt der Druck innerhalb der Pumpe ab, wodurch die Schraubenpumpstufe 19 aktiviert wird. Dadurch wird der Deckel 26 des öffnungs-Schließ-Mechanismus 28 geschlossen, wodurch die Pumpe in den stabilen Arbeitszustand gebracht wird. Während des Anlaufs der Pumpe nimmt deshalb bei dieser Ausführungsform die Fluidmenge, die durch die Schraubenpumpenstufe 19 mit geringer Fördergeschwindigkeit hindurchgeht,

-] 5 ab, während das meiste Gas durch den öf fnungs-Schließ-Mechanismus hindurchgeht, wodurch die für das Erreichen eines vorgegebenen Vakuums erforderliche Zeit verringert wird.

Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, daß der Auslaßöffnungsdruck sehr nahe dem Atmosphärendruck ist und daß sich gleichzeitig ein sauberes Vakuum erreichen läßt, wobei der Pumpenverlust, insbesondere der Reibungsverlust der letzten Stufe verringert wird, dadurch die Wärmeentwicklung unterdrückt und somit die erforderliche Leistung für den Pumpenbetrieb auf ein Minimum reduziert wird.

- Leerseite

Claims (5)

v.FÜNER i£BBIl\JG>HAUS FlNCK PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÜNCHEN 95 Hitachi, Ltd. DEAC-32339.7 November 23, 1984 Fi/ba Vakuumpumpe Patentansprüche

1. Vakuumpumpe gekennzeichnet durch

ein Gehäuse (4) mit Einlaß- und Auslaßöffnungen (2, 3) und durch eine Vielzahl von verschiedenen Arten von Pumpenstufen (5, 6, 7), die in dem Gehäuse (4) längs einer einzigen Welle (1) von der Einlaßöffnungsseite zur Auslaßöffnungsseite angeordnet sind, wobei die letzte Pumpenstufe (7) eine Peripheralpumpenstufe ist, welche aus einer sich drehenden Scheibe (16), die an ihrem Außenumfang viele Wirbelblätter (15) trägt und deren Durchmesser kleiner ist als der der vorhergehenden Stufe (6), und aus einer stationären Scheibe

(17) besteht, welche die rotierende Scheibe (16) umgibt, wobei die stationäre und die rotierende Scheibe (16, 17) einen Strömungskanal (18) bilden.

2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von verschiedenen Arten von Pumpenstufen aus einer Spiralmolekularpumpenstufe (5), einer Radialkompressorstufe (6) und der Peripheralpumpenstufe (7) bestehen, die in dieser Reihefolge von der Einlaßöffnungsseite zur Auslaßöffnungsseite angeordnet sind.

3. Vakuumpumpe gekennzeichnet durch ein Gehäuse (4) mit Einlaß- und Auslaßöffnungen (2, 3) und

durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Arten von Pumpenstufen (5, 6, 7), die in dem Gehäuse (4) längs einer einzigen Welle (2) von der Einlaßöffnungsseite zur Auslaßöffnungsseite angeordnet sind, wobei die letzte Pumpenstufe (7) eine Schraubenpumpenstufe ist, die aus einem rotierenden Zylinder (22), dessen Durchmesser kleiner als der der vorhergehenden Stufe (6) ist, aus einer stationären Scheibe (12), die den rotierenden Zylinder (22) umgibt, und aus einer spiralförmig umlaufenden Nut (23) besteht, die entweder an der Außenfläche des rotierenden Zylinders (22) oder in der Oberfläche der stationären Scheibe (8, 22), die der Oberfläche des rotierenden Zylinders (22) gegenüberliegt, zur Bildung eines Strömungskanals ausgespart ist.

4. Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der verschiedenen Arten von Pumpenstufen aus einer Spiralmolekularpumpenstufe (5), einer Radialkompressorstufe (6) und einer Schraubenpumpenstufe (7) bestehen, die in dieser Reihenfolge von der Einlaßöffnungsseite zur Auslaßöffnungsseite angeordnet sind.

5. Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der stationären Scheibe . (21) der Schraubenpumpenstufe (7) eine Bypassöffnung (25) ausgebildet ist, in der ein Öffnungs-Schließ-Mechanismus (28) vorgesehen ist, der von der Druckdifferenz vor und hinter der Bypassöffnung (25) betätigt wird.