DE3828608A1 - Vacuum-pump device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumpumpvorrichtung mit einer Molekularvakuumpumpe und mindestens einer dieser vorge schalteten Wälzkolbenpumpe.The invention relates to a vacuum pump device a molecular vacuum pump and at least one of these switched Roots pump.
Molekularvakuumpumpen werden meist im Hochvakuum- und Ultra hochvakuum eingesetzt, d.h. bei Drücken deutlich unter 10-3 mbar.Molecular vacuum pumps are mostly used in high vacuum and ultra high vacuum, ie at pressures well below 10 -3 mbar.
Es gibt jedoch auch Molekularvakuumpumpen, insbesondere Turbo molekularvakuumpumpen, die speziell für das Arbeiten bei "hö heren" Drücken eingesetzt werden können, d.h. bei Drücken zwischen 10-3 und 100 mbar. Sie bieten auch in diesem Druck bereich den Vorteil sehr kleiner Abmessungen und führen zu einem Vakuum, das frei von Kohlenwasserstoffverbindungen ist.However, there are also molecular vacuum pumps, in particular turbo molecular vacuum pumps, which can be used especially for working at "higher" pressures, ie at pressures between 10 -3 and 10 0 mbar. They also offer the advantage of very small dimensions in this pressure range and lead to a vacuum that is free of hydrocarbon compounds.
Bei Plasmaprozessen werden häufig große Verfahrensgasmengen in den Prozeßraum eingelassen und müssen von einer Vakuumpump vorrichtung wieder abgesaugt werden. Wichtig bei Plasmapro zessen ist auch, daß das Saugvermögen der Pumpvorrichtung möglichst genau der eingespeisten Verfahrensgasmenge angepaßt ist, wobei auch ggfs. Spülgasströme zu berücksichtigen sind, die zum Schutz von Motor und Lager in die Turbomolekularpumpe eingespeist werden.Large quantities of process gas are often used in plasma processes admitted into the process room and must by a vacuum pump device can be suctioned off again. Important with Plasmapro is also that the pumping speed of the pumping device adapted as precisely as possible to the amount of process gas fed in purging gas flows must also be taken into account, to protect the engine and bearings in the turbomolecular pump be fed.
Die Einstellung des Saugvermögens von Turbomolekularpumpen
wird bisher meist durch Drosselorgane bewirkt, die sich am
Saugstutzen der Turbomolekularpumpe befinden und sehr große
Nennweiten haben müssen, um nicht das höchstmögliche Saugver
mögen der Pumpe zu beeinträchtigen. Solche Drosselorgane sind
teuer und meist träge.
The setting of the pumping speed of turbomolecular pumps has so far mostly been effected by throttling elements which are located on the suction port of the turbomolecular pump and must have very large nominal diameters in order not to impair the highest possible pumping capacity. Such throttling devices are expensive and mostly sluggish.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpvorrichtung der ein gangs genannten Art so zu verbessern, daß das Saugvermögen mit einfachen Mitteln genau und schnell einstellbar ist.The object of the invention is to provide a pumping device gangs mentioned to improve so that the pumping speed can be set precisely and quickly with simple means.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wälzkolbenpumpe mit Mitteln zur Steuerung der Drehzahl ausge rüstet ist und daß ein Druckmeßorgan auf der Saugseite der Molekularpumpe liegt, dessen Ausgangssignal die Mittel zur Steuerung der Drehzahl einstellt.This object is achieved in that the Roots pump with means for controlling the speed is preparing and that a pressure measuring element on the suction side of the Molecular pump is located, the output signal of the means for Control of the speed sets.
Vorzugsweise enthalten die Mittel zur Steuerung der Drehzahl einen Spannungs-Frequenzwandler, der mit einer vom Druck auf der Saugseite der Molekularvakuumpumpe abhängigen Spannung gespeist wird.The means for controlling the speed preferably contain a voltage-to-frequency converter with one from the pressure on the suction side of the molecular vacuum pump dependent voltage is fed.
Vorzugsweise liegt zwischen dem Druckmeßorgan und dem Span nungs-Frequenzwandler ein Komparator, dem ein Sollwert zuführ bar ist.Preferably lies between the pressure measuring element and the chip voltage frequency converter a comparator to which a setpoint is supplied is cash.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Aus führungsbeispiels mithilfe zweier Figuren näher erläutert.The invention based on a preferred Aus management example explained in more detail using two figures.
Fig. 1 zeigt den Verlauf des Saugvermögens (in Liter pro Se kunde) in Abhängigkeit vom Ansaugdruck (in mbar). Fig. 1 shows the course of the pumping speed (in liters per second) depending on the suction pressure (in mbar).
Fig. 2 zeigt schematisch eine Vakuumpumpvorrichtung gemäß der Erfindung. Fig. 2 shows schematically a vacuum pump device according to the invention.
In Fig. 1 sind drei Kurven A, B und C dargestellt, die das Saugvermögen dreier Pumpvorrichtungen angeben, die sich durch unterschiedliche Größen der Vorpumpen voneinander unterschei den. Die Kurve A betrifft beispielsweise eine Pumpvorrichtung bestehend aus einer Turbomolekularpumpe und einer mechanischen Vorpumpe eines Saugvermögens von 0,4 m3/h. Die Kurve B be trifft eine Pumpvorrichtung mit derselben Turbomolekularpumpe, aber einer Vorpumpe eines Saugvermögens von 4 m3/h, während bei der Vorrichtung gemäß Kurve C eine mechanische Vorpumpe mit 120 m3/h Verwendung findet.In Fig. 1, three curves A , B and C are shown, which indicate the pumping speed of three pumping devices, which differ from one another by different sizes of the backing pumps. Curve A relates, for example, to a pump device consisting of a turbomolecular pump and a mechanical backing pump with a pumping speed of 0.4 m 3 / h. Curve B relates to a pump device with the same turbomolecular pump, but a backing pump with a pumping speed of 4 m 3 / h, while a mechanical backing pump with 120 m 3 / h is used in the device according to curve C.
Man erkennt hieraus, daß das Saugvermögen bei Ansaugdrücken unterhalb 10-3 mbar praktisch nicht von der Größe der Vorpumpe abhängt, daß aber bei Ansaugdrücken oberhalb dieses Werts, d.h. bei Ansaugdrücken, wie sie oft bei Plasmaprozessen anzu treffen sind, das Saugvermögen der gesamten Vakuumpumpvorrich tung stark von dem der Vorpumpe abhängt.It can be seen from this that the pumping speed at suction pressures below 10 -3 mbar practically does not depend on the size of the backing pump, but that at pumping pressures above this value, ie at suction pressures such as are often encountered in plasma processes, the pumping speed of the entire vacuum pump device heavily depends on the backing pump.
In Fig. 2 ist schematisch eine Vakuumpumpvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, bei der eine Wälzkolbenpumpe 1 an die Druckseite 2 einer Turbomolekularpumpe 3 angeschlossen ist. Zwischen der Wälzkolbenpumpe 1 und einem Auslaß 4 in die Atmosphäre ist noch eine beliebige andere mechanische Vakuum pumpe eingefügt.In Fig. 2 of the invention is shown schematically a vacuum pumping device according represented is connected with a Roots pump 1 to the pressure side 2 of a turbo molecular pump 3. Any other mechanical vacuum pump is inserted between the Roots pump 1 and an outlet 4 into the atmosphere.
Das Saugvermögen von Wälzkolbenpumpen hängt stark von der Geschwindigkeit ab, mit der die Wälzkolben in Umdrehung ver setzt werden. Man könnte also die drei Kurven aus Fig. 1 als Saugvermögenskurven der Vorrichtung gemäß Fig. 2 ansehen, wobei jeweils eine andere Drehgeschwindigkeit der Wälzkolben pumpe 1 vorliegt. In den Druckbereichen, in denen die drei Kurven deutlich voneinander abweichen, läßt sich also das Saugvermögen durch Wahl der Drehgeschwindigkeit der Pumpe 1 stufenlos verstellen. Man kann nun einen Regelkreis vorsehen, bei dem der Druck auf der Ansaugseite 6 der Turbomolekular pumpe 3 durch Verstellung der Drehgeschwindigkeit der Wälzkol benpumpe 1 konstant gehalten wird. Der Regelkreis enthält ein Druckmeßorgan 7, das eine vom gemessenen Druck abhängige Gleichspannung liefert, einen Komparator 8, dem dieses Signal sowie über einen weiteren Eingang 9 ein Sollwert zugeführt wird, und einen Spannungs-Frequenzwandler 10, der eine Wech selspannung abgibt, deren Frequenz von der Ausgangsspannung des Komparators 8 abhängt und mit der die Wälzkolbenpumpe 1 betrieben wird. An Stelle des Komparators und des Spannungs- Frequenzwandlers könnte auch eine Regeleinrichtung treten, die eine Gleichspannung zum Antrieb des Motors liefert, der die Wälzkolbenpumpe antreibt.The pumping speed of Roots pumps strongly depends on the speed at which the Roots are set in rotation. One could therefore see the three curves from FIG. 1 as the pumping speed curves of the device according to FIG. 2, each with a different rotational speed of the Roots pump 1 . In the pressure ranges in which the three curves differ significantly, the pumping speed can be infinitely adjusted by selecting the speed of rotation of the pump 1 . One can now provide a control loop in which the pressure on the suction side 6 of the turbomolecular pump 3 is kept constant by adjusting the speed of rotation of the pump 1 . The control circuit contains a pressure measuring element 7 , which supplies a DC voltage dependent on the measured pressure, a comparator 8 , to which this signal and a setpoint value is fed via a further input 9 , and a voltage-frequency converter 10 , which outputs an AC voltage, the frequency of which depends on the output voltage of the comparator 8 and with which the Roots pump 1 is operated. Instead of the comparator and the voltage-frequency converter, a regulating device could also be provided, which supplies a direct voltage for driving the motor that drives the Roots pump.
Eine Turbomolekularpumpe mit einem Nennsaugvermögen von 380 l/s (und dies ist bei Plasmaprozessen eine häufig verwen dete Pumpengröße) wird mit einer Spülgasmenge von 1 cm3/s gespült. Sie soll außerdem noch 4 cm3/s Verfahrensgas abfüh ren. Das Saugvermögen der Vorpumpe muß folglich 50 l/s bei 0,1 mbar betragen. Bei 0,3 mbar müssen genau 60 m3/h von der Vorpumpe übernommen werden. Eine Drehschiebervakuumpumpe als einzige Vorvakuumpumpe müßte ein höheres Nennsaugvermögen als 60 m3/h aufweisen, da durch die Drosselung in den Ansaugwegen das Nennsaugvermögen im Druckstutzen der Turbomolekularpumpe nicht erreicht wird. Bei der Kombination einer Wälzkolbenpumpe von maximal 120 m3/h mit einer kleinen Drehschieberpumpe von 12 bis 20 m3/h kann dagegen die anfallende Gasmenge ohne wei teres übernommen werden. Durch diese Kombination zweier ver hältnismäßig kleiner mechanischer Pumpen, nämlich der Pumpen 1 und 5, läßt sich das effektive Saugvermögen auf über 100 m3/h steigern. Zugleich läßt sich der Vorvakuumdruck durch unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten der Wälzkolbenpumpe 1 z.B. von 0,3 mbar bei 1700 Umdrehungen pro Minute auf 0,5 mbar bei 900 U/min oder sogar auf 1 mbar bei 650 U/min bringen. Folglich kann über die Drehzahl dieser Wälzkolbenpumpe 1 das effektive Saugvermögen der Gesamtpumpvorrichtung mit schnellen Einstellzeiten so geregelt werden, daß der Vakuumdruck kon stant bleibt. Sehr teuere und das effektive Saugvermögen im Hochvakuum negativ beeinflussende Drosselorgane mit großen Nennweiten entfallen. A turbomolecular pump with a nominal pumping speed of 380 l / s (and this is a frequently used pump size in plasma processes) is purged with a purge gas quantity of 1 cm 3 / s. It should also remove 4 cm 3 / s of process gas. The pumping speed of the backing pump must therefore be 50 l / s at 0.1 mbar. At 0.3 mbar, exactly 60 m 3 / h must be taken over by the backing pump. A rotary vane vacuum pump as the only backing pump should have a higher pumping speed than 60 m 3 / h, because the throttling in the suction paths does not achieve the pumping speed of the turbomolecular pump. By combining a Roots pump of maximum 120 m 3 / h with a small rotary vane pump of 12 to 20 m 3 / h, however, the amount of gas can be taken over without further notice. Through this combination of two relatively small mechanical pumps, namely pumps 1 and 5 , the effective pumping speed can be increased to over 100 m 3 / h. At the same time, the fore-vacuum pressure can be brought up to 0.3 mbar at 1700 revolutions per minute to 0.5 mbar at 900 rpm or even to 1 mbar at 650 rpm by means of different speeds of rotation of the Roots pump 1 . Consequently, the effective pumping speed of the entire pump device can be controlled with fast response times via the speed of this Roots pump 1 so that the vacuum pressure remains constant. Very expensive throttling devices with large nominal diameters, which negatively influence the effective pumping speed in high vacuum, are no longer required.
Eine vollautomatische Regelung des Arbeitsdrucks über das effektive Saugvermögen der Pumpvorrichtung wird auf der Druck seite der Turbomolekularpumpe durch automatische Drehzahlver stellung der Wälzkolbenpumpe möglich. Das Druck-Meßsignal wird in einem Komparator mit einem Sollwert verglichen; dieser verstellt die Speisefrequenz für den Synchronmotor der Wälz kolbenpumpe solange, bis Soll- und Istwert des Arbeitsdrucks übereinstimmen.A fully automatic control of the working pressure via the effective pumping speed of the pumping device is based on the pressure side of the turbomolecular pump through automatic speed control Position of the Roots pump possible. The pressure measurement signal is compared in a comparator with a target value; this adjusts the feed frequency for the synchronous motor of the roller piston pump until the setpoint and actual value of the working pressure to match.
Die Erfindung ist nicht in allen Einzelheiten auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann insbe sondere statt der Turbomolekularpumpe eine andere Hochvakuum pumpe, beispielsweise vom Holweck-Typ, verwendet werden.The invention is not in all details on the above described embodiment limited. In particular another high vacuum instead of the turbomolecular pump pump, for example of the Holweck type, can be used.
Claims (3)
Priority Applications (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8131 | Rejection |