DE3725164A1 - Molekularpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Molekularpumpe mit einem eine Pumpenkammer mit einer Einlaß- und einer Auslaß­ öffnung enthaltenden Stator und einem in der Pumpenkam­ mer drehantreibbar angeordneten Rotor und mit Prallflä­ chen an Rotor und Stator, die geeignet sind, durch wie­ derholte Reflexion aufprallender Moleküle diesen Mole­ külen eine von der Einlaß- zur Auslaßöffnung führende Bewegung aufzuzwingen.

Molekularpumpen sind Vakuumpumpen, die bei Drücken von 10^-3 mbar und kleiner eingesetzt werden können. Bei die­ sen Drücken sind die verbliebenen Gasmoleküle voneinander unabhängig. Sie schwirren aufgrund ihrer Wärmebewegung nach allen Richtungen im Vakuumraum herum und werden beim Auftreffen auf feste Wände wie Billardbälle reflektiert. Diese Eigenschaften machen sich Molekularpumpen mit an­ getriebenen Rotoren zunutze, die so beschaffen sind, daß durch die Umfangsbewegung des Rotors und durch die Nei­ gung entsprechend eingestellter Prallflächen die zufällig in die Pumpenkammer eintretenden Moleküle durch wieder­ holten Kontakt mit Rotor und Stator in die Förderrichtung der Pumpe gezwungen werden und so aus dem zu evakuieren­ den Raum entfernt werden.

Bekanntgewordene Molekularpumpen mit Rotor, auch Turbo- Molekularpumpen genannt, sind aus Gründen der Effizienz vielstufig aufgebaut, besitzen sehr enge Fertigungstole­ ranzen und sind sehr teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine billige, einfach aufgebaute und trotzdem zuverlässige Molekular­ pumpe mit Rotor zu schaffen, mit der beliebig große För­ derhöhen erzielbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß Einlaß- und Auslaßöffnung in Richtung der Rotorachse einen Abstand voneinander aufweisen und daß durch die Sei­ tenflächen mindestens eines die Rotorachse schraubenför­ mig umlaufenden Steges an mindestens einer der einander zugewandten Oberflächen von Rotor und Stator Prallflächen ausgebildet sind.

Eine derartige Molekularpumpe weist einen besonders ein­ fachen und damit kostengünstigen Aufbau auf, wobei durch ein hohes Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Rotors eine beliebig große Förderhöhe erzielbar ist.

Der Rotor dient dabei in erster Linie dazu, die in den Bereich zwischen Rotor und Stator eindringenden Moleküle zu beschleunigen, während die Prallflächen an Rotor und/ oder Stator die Aufgabe besitzen, durch mehrfache Refle­ xion den Molekülen eine allgemeine Bewegungsrichtung auf­ zuzwingen, die geeignet ist, sie von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung zu befördern. Die dieser Aufgabe die­ nenden Stege besitzen deshalb in Drehrichtung des Rotors eine von der Einlaß- zur Auslaßöffnung führende Steigung.

Ist sowohl der Rotor als auch der Stator mit einem schrau­ benförmig angeordneten Steg versehen, so besteht eine zweckmäßige Ausbildung darin, daß der am Rotor angeordne­ te Steg in Drehrichtung des Rotors eine von der Einlaß­ zur Auslaßöffnung führende Steigung aufweist, während die Steigung des Steges am Stator gegenläufig zur Stei­ gung des am Rotor angeordneten Steges ausgebildet ist.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß der Rotor mehrgängig mit mehreren Förderstegen versehen ist.

Um möglichst viele der in die Pumpenkammer eintretenden Moleküle in den Förderprozeß zu zwingen, kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung die Steigung der Förderstege an dem der Einlaßöffnung zugewandten Ende des Rotors er­ höht sein. Dabei kann die Anordnung auch derart getroffen sein, daß die Steigung der Förderstege entgegen der För­ derrichtung zunimmt. Eine besonders zweckmäßige Ausge­ staltung ist es dabei noch, daß der stromauf gelegene Rotorbereich mit größerer Steigung mehr Gänge aufweist aus der stromab gelegenen Rotorbereich mit geringerer Steigung.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Mole­ kularpumpe,

Fig. 2 einen schematischen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Molekularpumpe und

Fig. 3 einen schematischen Axialschnitt durch eine dritte Ausführungsform.

Ein zu evakuierender Raum 10 ist mit einer Öffnung 12 ver­ sehen, an die eine insgesamt mit 14 bezeichnete Molekular­ pumpe mit einer Einlaßöffnung 16 angesetzt ist. Diese Einlaßöffnung 16 ist stirnseitig an einem etwa rohrförmi­ gen Stator 18 ausgebildet, der mit seiner anderen Stirn­ seite mit einem Motor 20 verbunden ist, der zum Antrieb eines Rotors 22 dient, der in einer den Stator 18 in Längsrichtung durchquerenden Pumpenkammer 23 angeordnet ist. Die gemeinsame Achse der Pumpenkammer 23 und des Rotors 23 ist mit 21 bezeichnet. In der Nähe des dem Mo­ tor zugewandten Endes des Stators 18 ist an dessen Um­ fang eine Auslaßöffnung 24 ausgebildet.

Der Rotor besitzt bei der Ausführungsform nach Fig. 1 einen zylindrischen Kern 26, der von einem schraubenför­ mig verlaufenden Fördersteg 28 umgeben ist, der sich von dem der Einlaßöffnung 16 zugewandten Ende des Rotors 22 aus bis zur Auslaßöffnung 24 erstreckt. Beim dargestell­ ten Beispiel nimmt die Steigung des Fördersteges 28 in Förderrichtung allmählich ab. Die Anordnung kann aber auch derart getroffen sein, daß lediglich in dem der Ein­ laßöffnung 16 benachbarten Bereich des Rotors 22 der För­ dersteg 28 eine vergrößerte Steigung aufweist.

Der Rotor kann auch mehrgängig mit mehreren Förderstegen versehen sein, wobei auch die Möglichkeit besteht, den Rotor 22 nur in dem Bereich mit größerer Steigung mehr­ gängig auszubilden.

Im Raum 10 wurde vor dem Ansetzen der Molekularpumpe 14 der Druck bereits auf mindestens 10^-3 mbar abgesenkt. Die verbliebenen Gasmoleküle sind voneinander unabhängig und bewegen sich frei in allen Richtungen im Raum 10, was durch Richtungspfeile symbolisch dargestellt ist. Beim Auftreffen auf in ihrer Bahn befindliche Wände wer­ den sie reflektiert, was anhand der Bahn 30 eines ausge­ wählten Moleküls näher dargestellt ist.

Im Laufe dieser ungeordneten Bewegungen gelangen Molekü­ le in den Anfangsbereich der schraubenförmigen Windung des Fördersteges 28, wo sie von dessen seitlichen Prall­ flächen 32 und 34 bzw. von der lnnenwandung des Stators 18 bzw. der Oberfläche des Kerns 26 reflektiert werden. Aufgrund der Rotation des Rotors 22 erfolgt die Reflexion an stets neuen Abschnitten der Prallflächen 32 bzw. 34, sowie des Stators 18 und des Kerns 26, welche in der Re­ gel einen immer geringeren Abstand von der Auslaßöffnung 24 aufweisen, so daß die in den Gewindegang des Rotors 22 eingedrungenen Moleküle von der Einlaßöffnung 16 zur Auslaßöffnung 24 befördert werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die dem Rotor 22 zugewandte Oberfläche des Stators 18 mit einem schrau­ benförmig verlaufenden Steg 36 versehen, dessen Seiten­ flächen 38 und 40 als Prallflächen zur Reflexion der Mo­ leküle dienen. Zur Beschleunigung der Moleküle in Um­ fangsrichtung dient der Rotor 22, dessen Umfangsfläche mit in Achsrichtung verlaufenden Rillen oder Nuten 42 versehen ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist der Rotor 22 in gleicher Weise ausgebildet wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Zusätzlich ist auch die dem Rotor 22 zuge­ wandte Oberfläche des Stators 18 mit einem schraubenför­ mig umlaufenden Steg 36′ versehen, wobei jedoch die Steigung dieses Steges 36′ gegenläufig zur Steigung des Steges 28 am Rotor 22 ausgebildet ist. Die von den Prallflächen 32 und 34 des Rotors 22 reflektierten und von den Prallflächen 32 zusätzlich beschleunigten Mole­ küle werden von den Prallflächen 38′ bzw. 40′ des Sta­ tors 18 ebenfalls reflektiert und auf den Rotor 22 zu­ rückgeworfen, wobei sie insgesamt in der von der Einlaß­ öffnung 16 zur Auslaßöffnung 24 verlaufenden Förderrich­ tung bewegt werden.

Claims (8)

1. Molekularpumpe mit einem eine Pumpenkammer (23) mit einer Einlaß- (16) und einer Auslaßöffnung (24) enthaltenden Stator (18) und einem in der Pumpenkammer drehantreibbar angeordneten Rotor (22) und mit Prallflä­ chen an Rotor (22) und Stator (18), die geeignet sind, durch wiederholte Reflexion aufprallender Moleküle diesen Molekülen eine von der Einlaß- (16) zur Auslaßöffnung (24) führende Bewegung aufzuzwingen, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß- (16) und Auslaßöffnung (24) in Richtung der Rotorachse (21) einen Abstand voneinander aufweisen und daß durch die Seitenflächen (32, 34; 38, 40; 38′, 40′) mindestens eines die Rotorachse (21) schraubenförmig um­ laufenden Steges (28; 36; 36′) an zumindest einer der einander zugewandten Oberflächen von Rotor (22) und Sta­ tor (18) Prallflächen ausgebildet sind.

2. Molekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Rotor (22) ein Steg (28) angeordnet ist, der in Drehrichtung des Rotors eine von der Einlaß­ (16) zur Auslaßöffnung (24) führende Steigung aufweist.

3. Molekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Stator (18) ein Steg (36) angeordnet ist, der in Drehrichtung des Rotors (22) eine von der Ein­ laß- (16) zur Auslaßöffnung (24) führende Steigung auf­ weist und daß die Umfangsfläche des Rotors (22) mit in Achsrichtung verlaufenden Rillen (42) oder Nuten verse­ hen ist.

4. Molekularpumpe nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Stator (18) ein Steg (36′) angeord­ net ist, dessen Steigung gegenläufig zur Steigung des am Rotor (22) angeordneten Steges (28) ausgebildet ist.

5. Molekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Rotor (22) und/oder Stator (18) mehr­ gängig mit mehreren Stegen (28; 36; 36′) versehen sind.

6. Molekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Ste­ ge (28; 36; 36′) an dem der Einlaßöffnung (16) zugewand­ ten Ende von Rotor (22) und/oder Stator (18) erhöht ist.

7. Molekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der För­ derstege (28; 36; 36′) entgegen der Förderrichtung zu­ nimmt.

8. Molekularpumpe nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der stromauf gele­ gene Bereich mit größerer Steigung mehr Gänge aufweist, als der stromab gelegene Bereich mit geringerer Steigung.