DE3728154C2 - Mehrstufige Molekularpumpe - Google Patents
Mehrstufige MolekularpumpeInfo
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D19/00—Axial-flow pumps
- F04D19/02—Multi-stage pumps
- F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
- F04D19/044—Holweck-type pumps
Description
Die Erfindung betrifft eine Molekularpumpe nach dem
Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
Eine Molekularpumpe ist eine mechanisch fördernde Pumpe,
deren Arbeitsweise auf dem Prinzip der Impulsübertragung
von sich bewegenden Wänden auf Moleküle beruht. Das Grund
prinzip wurde von W.Gaede (Ann.d.Phys.(4) 41, 337 (1913))
beschrieben. Später wurden verschiedene Ausführungsformen
konstruiert. Die vorliegende Erfindung baut auf der von
Hollweck (Comptes rendus 177,43 (1923)) vorgestellten und
nach ihm benannten Pumpe auf. Bei dieser befindet sich
innerhalb eines zylindrischen Gehäuses ein zylindrischer
Rotor, wobei entweder die äußere Oberfläche des Rotors
oder die innere Oberfläche des zylindrischen Gehäuses
oder beide mit Spiralrillen zur Förderung und zur Führung
des Gases versehen sind.
Zur Anwendung kommen solche Molekularpumpen nach der Bau
art von Hollweck zum Beispiel in Verbindung mit Turbomole
kularpumpen (W.Becker, Vakuumtechnik 9/10 (1966)). Deren
wirksamer Arbeitsbereich ist auf das molekulare Strömungs
gebiet beschränkt, das heißt, sie arbeiten nur zusammen
mit einer Vorpumpe, die gegen Atmosphärendruck pumpt. In
der Regel sind dies zweistufige Drehschieberpumpen.
Der Arbeitsbereich einer Molekularpumpe nach Hollweck reicht
aufgrund der engen Spalte zwischen Rotor und Stator bis zu
weit höheren Drücken als der einer Turbomolekularpumpe. Durch
die Kombination dieser beiden Molekularpumpen kann der Aufwand
zur Erzeugung des Vorvakuums wesentlich reduziert werden. Ein
entscheidender Vorteil für den Einsatz bei bestimmten Prozes
sen, wie z. B. beim Plasma-Ätzen ist es, wenn die ölgedichtete
Drehschieberpumpe durch eine trocken arbeitende Pumpe, z. B.
eine Membranpumpe, ersetzt werden kann.
Molekularpumpen nach der Bauart von Hollweck wurden in ver
schiedenen Ausführungsformen, insbesondere auch in der
Kombination mit Turbomolekularpumpen, vorgeschlagen (z. B.
DE AS 24 09 857 und EP 01 29 709). Seither ist es jedoch
nicht gelungen, diese Pumpen auf einem weiten Anwendungsgebiet
praktisch einzusetzen. Dies ist im wesentlichen folgendermaßen
zu begründen: In Molekularpumpen mit spiralförmigen Kanälen
baut sich während des Betriebes entlang der Kanäle kontinuier
lich ein Druckverhältnis von der Ansaugseite zur Ausstoßseite
hin auf. Durch dieses Druckverhältnis wird eine Rückströmung
bewirkt, welche von der Ausstoßseite zur Ansaugseite hin über
den Spalt zwischen Rotor und Stator erfolgt. Dadurch werden
das Druckverhältnis und das Saugvermögen erheblich reduziert.
Um diese Verluste in Grenzen zu halten, ist es notwendig, die Spalte zwischen
Rotor und Stator sehr klein zu gestalten.
Üblich sind Spalte in einer Größenordnung von einigen hundertstel Millimetern.
Bei den hohen Drehzahlen, welche für einen guten Wirkungsgrad erforderlich
sind, treten hierbei große technische Probleme auf, welche die Molekularpum
pen nach der Bauart von Hollweck zu äußerst kritischen Bauteilen machen. Da
der Spalt zwischen Rotor und Stator aus Sicherheitsgründen umso größer sein
muß, je höher die Drehzahl der Pumpe ist, werden damit auch die Verluste
durch Rückströmung größer.
Das gleiche gilt für eine Konstruktion wie sie in der DE-OS 35 26 517 dargestellt
ist. Hier wird eine Turbomolekularpumpe mit einer Molekularpumpe von der Art
einer Seitenkanalpumpe kombiniert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Molekularpumpe zu entwickeln,
bei welcher die obengenannten Nachteile nicht auftreten. Insbesondere soll er
reicht werden, daß die Spalte zwischen Rotor und Stator so groß ausgebildet
werden können, daß ein sicherer Betrieb gewährleistet ist und gleichzeitig die
Rückströmung auf ein Minimum reduziert wird.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentan
spruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 9 kennzeichnen weitere vorteilhafte Aus
gestaltungsformen der Erfindung.
Das Verhältnis K der gesamten Pumpe setzt sich aus den Druckverhält
nissen der einzelnen Pumpstufen K₁, K₂, . . . . . , Kn wie folgt zusammen:
K = K₁ x K₂x . . . . . x kn.
Die Rückströmung von der Ausstoßseite zur Ansaugseite, welche
zwischen Rotor und Stator stattfindet, steigt mit dem Druck
verhältnis der Pumpe an. Die Aufteilung der Pumpe in mehrere
Pumpstufen mit kleinerem Druckverhältnis bewirkt eine ent
scheidende Reduzierung der Rückströmung.
Durch die konische Form von Rotor und Stator und durch die
Tatsache, daß die Abschnitte des Rotors mit glatter äußerer
Oberfläche, welche dessen äußersten Durchmesser bezeichnen
und die Abschnitte das Stators mit glatter innerer Oberfläche,
welche dessen innersten Durchmesser bezeichnen, mit ihrem Au
ßen-bzw. Innenkonus auf derselben Mantelfläche liegen, sind
weiter entscheidende Vorteile zu erzielen:
Ein Merkmal, welches für den Aufbau eines maximalen Druckver hältnisses innerhalb der Pumpe wichtig ist, ist die optische Dichtheit. Dies bedeutet, daß keine geradlinige freie Verbin dung zwischen den einzelnen Pumpstufen existiert, wodurch die Moleküle keine Möglichkeit haben, ungehindert von einer Pump stufe in die nächste zu gelangen. Somit wird der Rückströmung, welche schon durch die Aufteilung der einzelnen Pumpstufen reduziert ist, ein weiteres Hindernis entgegengesetzt.
Ein Merkmal, welches für den Aufbau eines maximalen Druckver hältnisses innerhalb der Pumpe wichtig ist, ist die optische Dichtheit. Dies bedeutet, daß keine geradlinige freie Verbin dung zwischen den einzelnen Pumpstufen existiert, wodurch die Moleküle keine Möglichkeit haben, ungehindert von einer Pump stufe in die nächste zu gelangen. Somit wird der Rückströmung, welche schon durch die Aufteilung der einzelnen Pumpstufen reduziert ist, ein weiteres Hindernis entgegengesetzt.
Dadurch, daß die Abschnitte des Rotors mit glatter äußerer
Oberfläche und die Abschnitte des Stators mit glatter innerer
Oberfläche auf derselben Mantelfläche liegen und nicht darüber
hinausragen, also Rotor- und Statorabschnitte nicht
ineinandergreifen, wird die Montage der Pumpe wesentlich erleichtert. Befinden
sich die größeren Durchmesser der Konen auf der Ansaugseite, dann kann der
Rotor nach oben abgenommen werden. Im umgekehrten Falle, wenn die größe
ren Durchmesser der Konen sich auf der Ausstoßseite befinden, kann der Stator
nach oben abgenommen werden. In keinem Falle ist es erforderlich, Rotor- oder
Statorabschnitte zu trennen.
Die Tatsache, daß Rotor- und Statorabschnitte nicht ineinandergreifen, bringt
den Vorteil mit sich, daß bei axialer Ausdehnung von Rotor oder Stator ein
axiales Anlaufen ausgeschlossen ist.
Die in den Ansprüchen 7 bis 9 gekennzeichneten geometrischen Verhältnisse
ermöglichen eine optimale Auslegung der Pumpe in Bezug auf Druckverhältnis
und Saugvermögen. Da das Gas von Pumpstufe zu Pumpstufe, beginnend mit
der ersten auf der Ansaugseite, immer weiter verdichtet wird, verringert sich
entsprechend das Volumen der angesaugten Gasmenge beim Durchströmen
der Pumpe. Somit können die zur Förderung nötigen Volumina verringert
werden. Dies führt dazu, daß die Tiefe und/oder die Breite der Rillen sowie
die axiale Ausdehnung der einzelnen Pumpeinheiten von der Ansaugseite zur
Ausstoßseite hin abnehmen. Ebenso wird es möglich, die Steigung der Rillen
nach der Ausstoßseite hin zu verringern. Durch diese Maßnahmen ergibt sich
ein höheres Druckverhältnis für diese Stufen.
Ein Ausführungsbeispiel ist in den beiden Zeichnungen dar
gestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 Gesamtdarstellung der erfindungsgemäßen Molekular
pumpe
Fig. 2 Ausschnitt "X" aus Fig. 1.
Wie Fig. 1 zeigt, befindet sich im Gehäuse 1 der Rotor 2, wel
cher durch die Lageranordnung 3 fixiert und durch den Motor 4
angetrieben wird. Der Rotor 2 ist innerhalb des Stators 5 ange
ordnet. Die Förderung des Gases erfolgt von der Ansaugseite 6
über Rotor und Stator zur Ausstoßseite 7.
In Fig. 2 sind Rotor 2 und Stator 5, welche jeweils aus mehre
ren Abschnitten zusammengesetzt sind, näher dargestellt. Der
Rotor besteht aus zwei Arten von Abschnitten mit verschiedenen
Oberflächen, die abwechselnd hintereinander angeordnet sind.
Dabei weist die eine Art 8 am Außendurchmesser Spiralrillen
auf und die andere Art 9 außen eine glatte Oberfläche. Ebenso
besteht der Stator aus zwei Arten von Abschnitten mit verschie
denen Oberflächen, die abwechselnd hintereinander angeordnet
sind, wobei die eine Art 10 am Innendurchmesser Spiralrillen
aufweist und die andere Art 11 innen eine glatte Oberfläche.
Die Rotor- und Statorabschnitte bilden Pumpstufen, welche sich
aus Pumpeinheiten folgendermaßen zusammensetzen:
Eine Pumpeinheit einer Pumpstufe besteht aus einem Teil eines Abschnittes 8 mit Spiralrillen des Rotors und aus einem Abschnitt 11 mit glatter innerer Oberfläche des Stators. Zwei Pumpeinheiten bestehen aus je einem Teil eines Abschnittes 8 mit Spiralrillen des Rotors und aus je einem Teil eines Ab schnittes 10 mit Spiralrillen des Stators. Eine weitere Pump einheit besteht aus einem Abschnitt 9 mit glatter äußerer Oberfläche des Rotors und aus einem Teil eines Abschnittes 10 mit Spiralrillen des Stators.
Eine Pumpeinheit einer Pumpstufe besteht aus einem Teil eines Abschnittes 8 mit Spiralrillen des Rotors und aus einem Abschnitt 11 mit glatter innerer Oberfläche des Stators. Zwei Pumpeinheiten bestehen aus je einem Teil eines Abschnittes 8 mit Spiralrillen des Rotors und aus je einem Teil eines Ab schnittes 10 mit Spiralrillen des Stators. Eine weitere Pump einheit besteht aus einem Abschnitt 9 mit glatter äußerer Oberfläche des Rotors und aus einem Teil eines Abschnittes 10 mit Spiralrillen des Stators.
Dieser Aufbau gilt für das angeführte Ausführungsbeispiel.
In anderen Ausführungsarten können Anzahl und Reihenfolge
der Pumpeinheiten einer Pumpstufe verschieden sein.
Die einzelnen Abschnitte des Rotors sind an ihrer Außenseite
und die einzelnen Abschnitte des Stators an ihrer Innenseite
konisch ausgebildet. Dabei liegen die äußeren Oberflächen der
Rotorteile 9 und die inneren Oberflächen der Statorteile 11
auf derselben Mantelfläche.
Die axiale Ausdehnung der einzelnen Pumpeinheiten nimmt von
der Ansaugseite zur Ausstoßseite hin ab. Ebenso verringern
sich die Tiefe und/oder die Breite der Spiralrillen sowie
deren Steigung nach der Ausstoßseite hin.
Claims (9)
1. Molekularpumpe zur Förderung von Gasen, bestehend aus Rotor und Stator,
welche konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei sich der Rotor inner
halb des Stators befindet, wobei Rotor und Stator jeweils aus mehreren Ab
schnitten bestehen, die zusammengenommen mehrere Pumpstufen bilden,
die ihrerseits aus verschiedenen Pumpeinheiten zusammengesetzt sind, da
durch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) abwechselnd aus Abschnitten (8),
die außen mit Spiralrillen versehen sind und aus Abschnitten (9), deren äu
ßere Oberflächen glatt sind, besteht und daß der Stator (5) abwechselnd aus
Abschnitten (10), die innen mit Spiralrillen versehen sind und aus Abschnitten
(11), deren innere Oberflächen glatt sind, besteht.
2. Molekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pump
stufe aus einer Pumpeinheit besteht, welche aus einem Teil eines Abschnittes
(8) mit Spiralrillen des Rotors und aus einem Abschnitt (11) mit glatter innerer
Oberfläche des Stators, aus zwei Pumpeinheiten, welche aus je einem Teil
eines Abschnittes (8) mit Spiralrillen des Rotors und aus je einem Teil eines
Abschnittes (10) mit Spiralrillen des Stators und aus einer Pumpeinheit,
welche aus einem Abschnitt (9) mit glatter äußerer Oberfläche des Rotors
und aus einem Teil des Abschnittes (10) mit Spiralrillen des Stators gebil
det werden.
3. Molekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die einzelnen Abschnitte des Rotors an ihrer Außenseite und die
einzelnen Abschnitte des Stators an ihrer Innenseite konisch ausgebildet sind.
4. Molekularpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die größe
ren Durchmesser der Konen nach der Saugseite hin angeordnet sind.
5. Molekularpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die größe
ren Durchmesser der Konen nach der Ausstoßseite hin angeordnet sind.
6. Molekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Abschnitte des Rotors mit glatter äußerer Oberfläche
und die Abschnitte des Stators mit glatter innerer Oberfläche mit ihrem Au
ßen- bzw. Innenkonus auf derselben Mantelfläche liegen.
7. Molekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Tiefe und/oder die Breite der Spiralrillen von der An
saugseite nach der Ausstoßseite hin abnehmen.
8. Molekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die axiale Ausdehnung der einzelnen Pumpeinheiten von
der Ansaugseite zur Ausstoßseite der Pumpe hin abnimmt.
9. Molekularpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Steigung der Spiralrillen von der Ansaugseite nach
der Ausstoßseite hin abnimmt.
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