DE3919529C2 - Vakuumpumpe - Google Patents
VakuumpumpeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Derartige Vakuumpumpen werden in der Industrie als Teilchenbeschleuniger,
als Experimentier- und Forschungseinrichtungen für die experimentelle Kernfusion,
für die Isotopentrennung, für Elektronenmikroskopie sowie als Analyse-
und Meßgeräte, z. B. als Oberflächenanalysatoren, verwendet, die ein sauberes
Vakuum bei Eingangsdruckbedingungen erzeugen, welche von Atmosphärendruck
über Hochvakuum bis zu Ultra-Hochvakuum reichen.
Von den zahlreichen Vakuumpumpen, die bereits vorgeschlagen wurden, haben
insbesondere die Molekularpumpe bzw. die Turbomolekularpumpe weite
Verbreitung gefunden. Bei der Molekularpumpe nach Gaede treffen auf
einen umlaufenden Rotor Moleküle aus einem Ansaugstutzen, erhalten eine
Vorzugsgeschwindigkeit und werden mit dieser Geschwindigkeit durch einen
Spalt zu einem Vorvakuumstutzen befördert (DE-PS 2 39 213).
Nachteilig ist bei dieser Molekularpumpe, daß die mittlere
freie Weglänge der Moleküle größer als der Abstand zwischen Stator und
Rotor sein muß, d. h. die Pumpe arbeitet im allgemeinen nur bei Drücken
unter 0,1 Pa.
Eine Weiterentwicklung der Gaedeschen Molekularpumpe ist die von Becker
vorgeschlagene Turbomolekularpumpe, die große industrielle Bedeutung
erlangt hat. Die Neue besteht hierbei in der Konzeption des mit Schaufeln
versehenen Rotors, der damit an den Rotor von Turbinen erinnert (Wutz,
Adam, Walcher: Theorie und Praxis der Vakuumtechnik, 4. Auflage, 1988,
S. 226 bis 247).
Es sind zahlreiche Turbomolekularpumpen bekannt, die auf der Innenseite
eines Gehäuses, in dem sich eine Welle mit Rotorscheiben bewegt, spiralförmige
Nuten aufweisen (DE-OS 24 12 624, DE-PS
35 31 942). Diese Pumpen sind indessen in der Regel nur für einen bestimmten
Fließzustand verwendbar und nicht kompakt aufgebaut.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumpumpe zu schaffen,
die mit hoher Pumpgeschwindigkeit arbeitet, und zwar bei einem Strömungs
zustand, der von der molekularen bis zur viskosen Strömung reicht.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht insbesondere darin, daß die
Pumpe sehr kompakt aufgebaut werden kann und keine Versiegelung zwischen
der Kante einer Rotorscheibe und der inneren Oberfläche eines Einschnitts
im Stator benötigt, der der Rotorscheibe gegenüberliegt. Außerdem ist kein
hoher maschineller Aufwand erforderlich, um die Vakuumpumpe herzustellen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine trockene Vakuum
pumpe hergestellt werden kann, die keinerlei Pumpen- und Schmieröl in
Bereichen benötigt, die in direktem Kontakt mit Gas stehen. Hierdurch wird
ein sauberes und trockenes Vakuum erzeugt, das frei von Verschmutzungen
und schädlichen Gasen ist. Ferner weist die Erfindung den Vorteil auf, daß
sie normal arbeitet und Teilchen durch einen Auslaß abgibt, wenn diese
Teilchen mit einem Prozeßgas angesaugt werden oder wenn die Teilchen
durch eine chemische Reaktion während des Betriebs gebildet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Bereich einer Vakuum
pumpe nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Linie I-II in Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt durch die Linie 0-III in Fig. 1;
Fig. 4 einen Schnitt durch die Linie 0-IV in Fig. 1;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung, ähnlich derjenigen in Fig. 2, die eine
Vakuumpumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
Fig. 6 einen Schnitt durch die Vakuumpumpe gemäß Fig. 5, der dem
Schnitt in Fig. 3 entspricht;
Fig. 7 einen Schnitt durch die Vakuumpumpe nach Fig. 5, wobei dieser
Schnitt der Fig. 4 entspricht;
Fig. 8 einen Schnitt, ähnlich Fig. 2, durch eine Vakuumpumpe gemäß
einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9 einen Schnitt durch die in der Fig. 8 gezeigte Pumpe,
vergleichbar dem Schnitt nach Fig. 3;
Fig. 10 einen Schnitt durch die in der Fig. 8 dargestellte Vakuumpumpe,
der dem Schnitt nach Fig. 4 entspricht;
Fig. 11 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Bereich einer Vakuumpumpe
gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 12 einen Schnitt entlang der Linie I-II in Fig. 11;
Fig. 13 einen Schnitt entlang der Linie III-IV in Fig. 11;
Fig. 14 einen Schnitt entlang der Linie V-VI in Fig. 11;
Fig. 15 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Bereich einer Vakuum
pumpe gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 16 einen Schnitt entlang der Linie I-II in Fig. 15;
Fig. 17 einen Schnitt entlang der Linie 0-III in Fig. 15;
Fig. 18 einen Schnitt entlang der Linie 0-IV in Fig. 15;
Fig. 19 einen Schnitt entlang der Linie 0-V in Fig. 15;
Fig. 20 einen Schnitt entlang der Linie 0-VI in Fig. 15;
Fig. 21 einen Schnitt entlang der Linie 0-VII in Fig. 15;
Fig. 22 einen Schnitt entlang der Linie 0-VIII in Fig. 15;
Fig. 23 einen Schnitt durch eine Vakuumpumpe gemäß einer sechsten
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 24 einen Querschnitt entlang der Linie I-I in Fig. 23;
Fig. 25 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 24;
Fig. 26 einen Schnitt durch eine herkömmliche Verbund-Vakuumpumpe;
Fig. 27 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen dem
Ansaugdruck und der Pumpgeschwindigkeit zeigt;
Fig. 28 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen dem
Ansaugdruck und dem Kompressionsverhältnis zeigt;
Fig. 29 einen Längsschnitt durch eine Vakuumpumpe eines siebten
Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 30 einen Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 29;
Fig. 31 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 30;
Fig. 32 eine Kurvendarstellung, welche das Verhältnis zwischen Ansaug
druck und Pumpgeschwindigkeit zeigt;
Fig. 33 einen Längsschnitt durch eine Vakuumpumpe einer achten
Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 34 einen Querschnitt entlang der Linie I-I in Fig. 33;
Fig. 35 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 34;
Fig. 36 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen dem
Ansaugdruck und der Pumpgeschwindigkeit zeigt;
Fig. 37 einen Längsschnitt durch einen Rotor, der bei einer ersten
Abwandlung der Wirbel-Vakuumpumpeneinheit der Verbundpumpe
des achten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung eingesetzt
wird;
Fig. 38 einen Längsschnitt durch einen Rotor, der bei einer zweiten
Abwandlung der Wirbel-Vakuumpumpeneinheit der Verbundpumpe
des achten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung eingesetzt
wird;
Fig. 39 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Bereich einer Vakuumpumpe
entsprechend einer neunten Ausführungsform gemäß der
Erfindung;
Fig. 40 einen Schnitt entlang der Linie I-II in Fig. 39;
Fig. 41 einen Schnitt entlang der Linie 0-III in Fig. 39;
Fig. 42 einen Schnitt entlang der Linie 0-IV in Fig. 39;
Fig. 43 eine Kurvendarstellung, welche die Kompressionsverhältnisse
zeigt;
Fig. 44 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Bereich einer Vakuum
pumpe eines zehnten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;
Fig. 45 einen Schnitt entlang der Linie I-II in Fig. 44;
Fig. 46 einen Schnitt entlang der Linie 0-III in Fig. 44;
Fig. 47 einen Schnitt entlang der Linie 0-IV in Fig. 44;
Fig. 48 einen Schnitt entlang der Linie 0-V in Fig. 44;
Fig. 49 einen Schnitt entlang der Linie 0-VI in Fig. 44.
In den Fig. 1 bis 4 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt,
die eine Vakuumpumpe mit einer Rotorwelle 2 enthält, die in einem Gehäuse
1 gelagert und an ihrem unteren Ende mit einem Motor in Wirkverbindung
steht. Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Rotorscheibe 3 mit einer Nabe 3a, die
mit dem oberen Ende der Rotorwelle 2 verbunden ist, während ein Stator 5
an der inneren Oberfläche des Gehäuses 1 angeordnet ist. Beide Seiten des
Randbereichs der Rotorscheibe 3 weisen Ausschnitte auf, um Abstufungen 4 zu
bilden. Eine ringförmige Ausnehmung 6 befindet sich auf dem inneren Umfang
des Stators 5 in einer Position, welche der Rotorscheibe 3 entspricht
und welche diese Rotorscheibe 3 aufnimmt. Zwischen der Oberfläche der
ringförmigen Ausnehmung 6 und den entsprechenden Abstufungen 4, die sich auf
beiden Seiten der Peripherie der Rotorscheibe 3 befinden, sind Strömungsdurchlässe 7
vorgesehen. Ein Paar Luftstrom-Unterbrecher 8 ragen vom Stator 5 in die Strömungsdurchlässe 7.
Die Anfangsenden der Strömungsdurchlässe 7 auf einer Seite der Luftstrom-Unterbrecher 8, d. h.
die Bereiche der Strömungsdurchlässe 7 unmittelbar nach den Luftstrom-Unterbrechern 8 in bezug
auf die Drehrichtung der Rotorscheibe 3, sind mit einer Einlaßöffnung 9
verbunden, während die Abschlußenden der Strömungsdurchlässe 7 auf der anderen
Seite der Luftstrom-Unterbrecher 8, d. h. diejenigen Bereiche der Strömungsdurchlässe 7 unmittelbar
vor den Luftstrom-Unterbrechern 8 in bezug auf die Drehrichtung der Rotorscheibe 3,
mit einer Auslaßöffnung 10 in Verbindung stehen.
Wenn die Rotorscheibe 3 von dem Motor zur Drehung in Richtung des
Pfeils A in Fig. 1 mit einer hohen Geschwindigkeit von 0,1- bis 1,0mal der
mittleren Molekulargeschwindigkeit des Gases angetrieben wird, werden die
Gasmoleküle dem Angriff der Oberflächen der Abstufungen 4 ausgesetzt, insbesondere
den beiden Seiten der Peripherie der Rotorscheibe 3, die sich mit
der höchsten Oberflächengeschwindigkeit bewegen, und durch den molekularen
Widerstandseffekt, der durch die Reibung zwischen den Molekülen bedingt
ist, transportiert. Dementsprechend wird das Gas, das durch die Einlaß
öffnung 9, wie durch den Pfeil B in Fig. 1 und 2 angedeutet, angesaugt
wird, komprimiert und entlang der Strömungsdurchlässe 7 in der Richtung
eines Pfeils C (Fig. 1) transportiert; das komprimierte Gas wird dann durch
die Auslaßöffnung, 10, wie in Fig. 1 und 4 durch den Pfeil D angedeutet,
abgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, daß die Vakuumpumpe bei einer
hohen Pumpgeschwindigkeit in einem Druckbereich auspumpt, der Strömungs
verhältnissen entspricht, die vom molekularen Strömungsmodus bis zum
viskosen Strömungsradius reichen. Experimentelle Versuche mit der Vakuumpumpe
haben gezeigt, daß das Druckverhältnis der Vakuumpumpe bei einem
Strömungsverhältnis zwischen molekularem Strömungsradius und viskosem
Strömungsmodus 10 oder größer ist.
Darüber hinaus ermöglicht es die Konstruktion der Vakuumpumpe, die
Einlaßöffnung groß auszubilden.
In den Fig. 5 bis 7 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt,
die eine Vakuumpumpe enthält, deren Aufbau im wesentlichen demjenigen
der Vakuumpumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Bei der
Vakuumpumpe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nimmt die Breite b
der Strömungsdurchlässe 7, d. h. der freie Raum zwischen den Oberflächen
des äußeren Bereichs der Rotorscheibe 3 und den entsprechenden Oberflächen
des Stators 5 von den Anfangsenden der Strömungsdurchlässe 7 zu
den Abschlußenden derselben allmählich ab. Wenn sich die Rotorscheibe 3
mit einer hohen Drehgeschwindigkeit dreht, nimmt der Druck in den Strömungsdurchlässen
7 von den Anfangsenden zu den Abschlußenden der Strömungsdurchlässe 7 hin
allmählich zu. Hierdurch nimmt die mittlere freie Weglänge λ des Gases
entsprechend ab. Demzufolge wird das Verhältnis b/λ auf einem optimalen
Wert gehalten, und die Vakuumpumpe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
hat eine noch weiter gesteigerte Transportwirkung und verbesserte
Pump- und Kompressionsleistung als die Vakuumpumpe gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
Eine Vakuumpumpe gemäß einem in den Fig. 8 bis 10 gezeigten Ausführungs
beispiel hat im wesentlichen denselben Aufbau wie die vorangegangenen
Ausführungsbeispiele. Bei der Vakuumpumpe gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
nimmt die Dicke des äußeren Bereichs der Rotorscheibe 3, der den
Abstufungen 4 entspricht, zur Peripherie hin allmählich ab, und die Breite der
ringförmigen Ausnehmung 6 nimmt radial nach außen hin ab, so daß die
Breite B der Strömungsdurchlässe 7, d. h. der Abstand zwischen den Abstufungen 4 an der
Peripherie der Rotorscheibe 3 und den entsprechenden Oberflächen der
ringförmigen Ausnehmung 6 ist an jeder Stelle der Abstufungen 4 bezüglich der
radialen Richtung gleich. Da die Dicke des äußeren Bereichs der Rotor
scheibe 3, der den Abstufungen 4 entspricht, radial nach außen hin abnimmt,
ist die Kraft im mittleren Bereich der Rotorscheibe 3, die durch eine auf die
Rotorscheibe 3 einwirkende Zentrifugalkraft erzeugt wird, kleiner als die in den
Rotoren gemäß den vorangegangenen Ausführungsbeispielen hervorgerufenen
Kräfte, vorausgesetzt, daß die Rotorscheiben 3 bezüglich Rotationsgeschwindigkeit
und Größe übereinstimmen. Dementsprechend muß die Rotorscheibe 3 der Vakuum
pumpe gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel nicht aus einem Material von
besonderer Festigkeit hergestellt sein, sondern kann aus einem preiswerten
Material, wie technischer Kunststoff oder Keramik, oder durch Gießen geformt
werden. Auf diese Weise kann die Rotorscheibe 3 einfach und mit
geringen Herstellungskosten angefertigt werden.
Eine Vakuumpumpe gemäß einem in den Fig. 11 bis 14 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist mit zwei Einlaßöffnungen 9 versehen, die an gegen
überliegenden Stellen des Gehäuses 1 angebracht sind, sowie mit zwei Auslaß
öffnungen 10, die ebenfalls an zwei gegenüberliegenden Stellen des Gehäuses 1
angeordnet sind, und zwei Paaren von Luftstrom-Unterbrechern 8, die derart angeordnet
sind, daß sie die Strömungsdurchlässe 7 jeweils an Positionen, die zwischen den
Einlaßöffnungen 9 und den benachbarten Auslaßöffnungen 10 liegen, in zwei
Abschnitte aufteilen. Demzufolge wird ein in das Gehäuse angesaugtes Gas
komprimiert und in die zwei Abschnitte der Strömungsdurchlässe 7, die durch die zwei
Paare von Luftstrom-Unterbrechern 8 geteilt sind, gepumpt. Die Pumpgeschwindigkeit
dieser Vakuumpumpe beträgt daher ungefähr das Zweifache der Vakuumpumpen
gemäß den vorangegangenen Ausführungsbeispielen. Die Vakuumpumpe
kann mit drei oder mehr Paaren von Luftstrom-Unterbrechern 8 versehen sein,
welche die Strömungsdurchlässe 7 in drei oder mehr Abschnitte unterteilen.
Die Fig. 15 bis 22 zeigen eine Vakuumpumpe gemäß einem fünften Aus
führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Vakuumpumpe mit
drei Rotorscheiben 3 versehen ist, die ein einziges Teil bilden, welches eine
Nabe 3a besitzt. Die Abstände zwischen den Oberflächen jeder Rotorscheibe
3 und den entsprechenden Oberflächen der Statoren 5 nehmen allmählich
von dem einen Ende in der Nähe der Einlaßöffnung 9 zu dem anderen Ende
in der Nähe der Auslaßöffnung 10 hin ab. Drei Paare von Luftstrom-Unterbrechern 8 sind in
Winkelabständen in den Strömungsdurchlässen 7 für die drei Rotorscheiben 3 angeordnet,
und Verbindungsdurchlässe 11 sind in Winkelabständen zwischen den
benachbarten Strömungsdurchlässen 7 für die benachbarten Rotorscheiben 3 vorgesehen.
Ein durch die Einlaßöffnung 9 in das Gehäuse 1 gesaugtes Gas wird stufenweise
aufeinanderfolgend in den jeweiligen Strömungsdurchlässen 7 für die drei Rotor
scheiben 3 bei einem relativ hohen Druckverhältnis komprimiert. Das Druck
verhältnis der Vakuumpumpe, das während der Versuche erreicht wurde,
war 10³ oder höher. Obwohl die Vakuumpumpe beim fünften Ausführungs
beispiel eine Dreistufen-Vakuumpumpe ist, kann die vorliegende Erfindung
auch auf Multistufen-Vakuumpumpen angewendet werden, die mehr als drei
Kompressionsstufen für ein noch höheres Kompressionsverhältnis aufweisen.
Obwohl die Rotorscheiben 3 der vorangegangenen Ausführungsbeispiele jeweils
einen verjüngten äußeren Bereich besitzen, der die Abstufungen 4 bildet, können
ringförmige Ausnehmungen auch in den seitlichen Flächen der ringförmigen
Ausnehmung 6 des Stators 5, die dem äußeren Bereich der Rotorscheibe 3
gegenüberliegen, gebildet sein, ohne daß der äußere Bereich der Rotorscheibe
3 verjüngt ist.
In den vorangegangenen Ausführungsbeispielen sind Durchlässe jeweils auf
beiden Seiten des äußeren Bereichs jeder Rotorscheibe ausgebildet, und die
Drücke in den Durchlässen an den gleichen Stellen auf der Rotorscheibe
sind dieselben. Daher muß der Spalt zwischen dem Umfang der Rotorscheibe
und der Bodenfläche der ringförmigen Ausnehmung nicht abgedichtet werden;
zwischen dem Umfang der Rotorscheibe und der Bodenfläche der ringförmigen
Ausnehmung kann ein großer Abstand vorhanden sein. Demzufolge brauchen
die Teile der Vakuumpumpe nicht mit sehr großer Genauigkeit hergestellt
zu werden, sondern sie können einfach produziert werden, und die
Vakuumpumpe kann klein gebaut sein.
Eine in den Fig. 23 bis 25 dargestellte Vakuumpumpe gemäß einem sechsten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Verbund-
Molekularpumpe, bestehend aus einem Gehäuse 1, einer Turbomolekular
pumpeneinheit 12, die im oberen Bereich des Gehäuses 1 angeordnet ist,
und einer Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung. Die Turbo
molekularpumpeneinheit 12 umfaßt einen Rotor 14, der mit einer Mehrzahl
von Rotorschaufeln 12a, welche von dem Rotorkörper ausgehen, ein Teil
bildet, und eine Mehrzahl von Statorschaufeln 12b, die sich vom inneren
Umfang des Gehäuses 1 nach innen erstrecken. Die Vakuumpumpeneinheit 13
umfaßt vier Rotorscheiben 3, die mit dem Rotor 14 ein Ganzes bilden und
von dem Körper des Rotors 14 ausgehen. Die Dicke der oberen Rotorscheibe
3 ist größer als die Dicke der unteren Rotorscheibe 3. Die beiden Seiten
des äußeren Bereichs jeder Rotorscheibe 3 sind teilweise eingeschnitten und
bilden dadurch Abstufungen 4. Die Einschnittiefe im äußeren Bereich der oberen
Rotorscheibe 3 ist größer als diejenige der unteren Rotorscheibe 3. Strömungsdurchlässe
7 entstehen im Stator 5 jeweils auf beiden Seiten des äußeren Bereichs
jeder Rotorscheibe 3. Der Abstand b zwischen der Oberfläche der Rotor
scheibe 3 und der entsprechenden Oberfläche des Stators 5, d. h. die Breite
des Strömungsdurchlasses 7, ist bei der oberen Rotorscheibe 3 größer und bei der
unteren Rotorscheibe 3 kleiner.
Ähnlich wie bei dem Aufbau der Vakuumpumpe gemäß dem fünften
Ausführungsbeispiel kommunizieren die Abschlußenden der Strömungsdurchlässe 7 an
der Rotorscheibe 3 auf der Auslaßseite eines Luftstrom-Unterbrechers 8 mit
den Anfangsenden der Strömungsdurchlässe 7 an der Rotorscheibe 3 auf der
Auslaßseite eines Luftstrom-Unterbrechers 8 durch einen Verbindungsdurchlaß 11.
Die Luftstrom-Unterbrecher 8 und die Verbindungsdurchlässe 11 sind aufeinanderfolgend
in Winkelabständen angeordnet. Die Anfangsenden der Strömungsdurchlässe für die
oberste Rotorscheibe 3 auf der Einlaßseite des entsprechenden Luftstrom-Unterbrechers 8
kommunizieren mit einer Einlaßöffnung 15, welche mit der Turbo
molekularpumpeneinheit 12 in Verbindung ist, wie Fig. 23 zeigt, und die
Abschlußenden der Strömungsdurchlässe für die unterste Rotorscheibe 3 auf der
Auslaßseite des entsprechenden Luftstrom-Unterbrechers 8 kommunizieren mit einer Auslaß
öffnung 10, wie in Fig. 25 dargestellt ist. Ein mit einer Vorvakuumpumpe
verbundenes Rohr ist an dem Flansch eines Auslaßrohrs angebracht, das mit
der Auslaßöffnung 10 verbunden ist.
Eine Rotorwelle 2, mit welcher der Rotor 14 der Pumpeneinheiten 12 und
13 starr verbunden ist, ist in einem oberen Lager 16a gelagert, das in dem
oberen Ende eines inneren Rohrs 1b befestigt ist. Das Rohr 1b erstreckt
sich aufwärts von einem Motorgehäuse 1a, welches im unteren Bereich eines
Gehäuses 1 angeordnet ist. Ein unteres Lager 16b ist auf der Bodenplatte 1c
des Motorgehäuses 1a vorgesehen. Der Rotor 17a eines Motors
17, wie z. B. eines HF-Induktionsmotors oder eines HF-Hysterese-Motors,
ist fest im mittleren Bereich einer Rotorwelle 2 angebracht. Das untere
Ende der Rotorwelle 2 ist in Schmieröl eingetaucht, das in einer Ölpfanne
18 enthalten ist, welche mit der Bodenplatte 1c verbunden ist. Wenn sich
die Rotorwelle 2 mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit dreht, wird das
Schmieröl durch eine Axialbohrung 2a und eine Radialbohrung 2b, die sich
in der Rotorwelle 2 befinden, zu dem oberen Lager 16a befördert. Das
Schmieröl gelangt zu dem unteren Lager 16b durch eine Ausnehmung, die
im inneren Umfang des Motorgehäuses 1a angeordnet ist.
Da der Rotor 14 einteilig aus den Rotorschaufeln 12a der Turbomolekular
pumpeneinheit 12 und den Rotorscheiben 3 der Vakuumpumpeneinheit 13
aufgebaut ist, entsteht nur ein geringes Geräusch, wenn der Rotor 14 sich
mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit dreht.
Die Arbeitsweise der Verbund-Molekularpumpe ist nachfolgend
näher beschrieben.
Während der Rotor 14 durch den Motor 17 zur Rotation bei
einer hohen Rotationsgeschwindigkeit angetrieben wird, strömt ein Gas mit
einer Molekularströmung oder einer Übergangsströmung, die der Molekular
strömung nahezu entspricht, in die Einlaßöffnung 9, und die Gasmoleküle
prallen gegen die rotierende Rotorschaufel 12a der Turbomolekularpumpen
einheit 12. Das Gas wird dann komprimiert und mittels der kombinierten
Tätigkeit der Rotorschaufeln 12a und der vom Gehäuse 1 vorspringenden
Rotorschaufeln 12b im großen und ganzen zum Abwärtsströmen gebracht,
mit einem Impuls, welcher eine Komponente aufweist, die eine der Drehrichtung
der Rotorschaufeln 12a entsprechende Richtung besitzt, und eine
Komponente, die eine Abwärtsrichtung parallel zur Achse der Rotorwelle 2
besitzt. Die Turbomolekularpumpeneinheit 12 erfordert eine große
Beschleunigungsdrehkraft zur Beschleunigung in der Anfangsphase des Betriebs,
um den Rotor 14 gegen den auf mit hoher Dichte im Rotor verbliebenen
Gas beruhenden Windverlust und gegen das Trägheitsmoment des Rotors 14
anzutreiben. Dementsprechend wird die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors
14 automatisch gesteuert, indem der Eingangsstrom des Motors 17 automatisch
begrenzt wird, so daß der Eingangsstrom nicht übermäßig ansteigt.
Das derart durch die Turbomolekularpumpeneinheit 12 komprimierte und
transportierte Gas strömt durch die Einlaßöffnung 15 in die Vakuum
pumpeneinheit 13. In der Vakuumpumpeneinheit 13 wird das Gas bei einem
hohen Kompressionsverhältnis in einem Druckbereich entsprechend dem
Strömungsmodusbereich von molekularem Strömungsmodus bis viskosem
Strömungsmodus komprimiert. Dann wird aufgrund der molekularen Wider
standswirkung der Abstufungen 4 in den äußeren Bereichen der Rotorscheiben 3,
welche mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit der Vakuumpumpeneinheit
13 rotieren, bewirkt, daß das Gas nacheinander durch die Verbindungsdurch
lässe 11 und die Strömungsdurchlässe 7 der Rotorscheiben 3 strömt, wie durch den
Pfeil in Fig. 24 angedeutet ist. Nachdem das Gas durch die Auslaßöffnung
10 abgeführt ist, wird das komprimierte Gas von der Vorvakuumpumpe weiter
bis zu Atmosphärendruck komprimiert.
Versuche haben ergeben, daß es jede Kompressionsstufe einer Vakuumpumpen
einheit mit peripherer Ausnehmung ermöglicht, das Gas bei einem Kompressions
verhältnis von 10 im Strömungsmodusbereich vom molekularen Strömungsmodus
bis zum viskosen Strömungsmodus zu komprimieren. Es ist auch leicht
möglich, durch eine Vakuumpumpe desselben Typs mit vier Kompressionsstufen
wie die im sechsten Ausführungsbeispiel verwendete Vakuumpumpeneinheit
das Gas bei einem Kompressionsverhältnis von 10⁴ oder mehr zu
komprimieren. In den Fig. 27 und 28 ist durch durchgezogene Linien das
Verhältnis zwischen Pumpgeschwindigkeit und Einlaßdruck angegeben, wenn
mit einer herkömmlichen zusammengesetzten Molekularpumpe Stickstoffgas
(N₂) gepumpt wird, und das Verhältnis zwischen Einlaßdruck und Kompressions
verhältnis, wenn Stickstoffgas (N₂) oder Wasserstoffgas (H₂) gepumpt wird.
Die in Fig. 26 gezeigte herkömmliche zusammengesetzte Molekularpumpe umfaßt
ein Gehäuse i mit einer Einlaßöffnung g und einer Auslaßöffnung h,
eine Turbomolekularpumpeneinheit j, welche in dem Gehäuse i auf
der Seite der Einlaßöffnung g vorgesehen ist, sowie eine Schraubenpumpen
einheit k, welche an die Turbomolekularpumpeneinheit j anschließt. In den
Fig. 27 und 28 ist die Leistung der zusammengesetzten Molekularpumpe gemäß
dem sechsten Ausführungsbeispiel zum Vergleich in gestrichelten Linien
angegeben. Wie aus den Fig. 27 und 28 ersichtlich, ist die Leistung der
zusammengesetzten Molekularpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung die gleiche
oder höher als diejenige der herkömmlichen zusammengesetzten Molekularpumpe.
Bei der zusammengesetzten Molekularpumpe gemäß dem sechsten Ausführungs
beispiel wird keine spezielle Verbindungsrohranlage benötigt, weil die
Strömungsdurchlässe 7 für die benachbarten Rotorscheiben 3 unmittelbar mittels
eines Verbindungsdurchlasses 11 miteinander kommunizieren, und folglich
kann der Raum in dem Gehäuse 1 wirksam genutzt werden. Darüber
hinaus ist die axiale Länge der Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Aus
nehmung der zusammengesetzten Molekularpumpe gemäß dem sechsten Aus
führungsbeispiel etwa nur ein Drittel der axialen Länge einer Schrauben
pumpeneinheit bei gleicher Leistung. Der Rotor 14 der Vakuumpumpeneinheit
13 mit peripherer Ausnehmung ist von geringem Gewicht und ihr Trägheits
moment ist bei weitem geringer als dasjenige der Schraubenpumpeneinheit.
Dementsprechend erfordert die Vakuumpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung
keine große Genauigkeit bei der Herstellung der Einzelteile und kann
preiswert gefertigt werden. Durch die vorliegende Erfindung wird somit eine
zusammengesetzte Molekularpumpe mit hoher Leistungsfähigkeit und der
angestrebten Betriebsweise geschaffen.
Auch wenn die Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung gemäß
dem sechsten Ausführungsbeispiel mit vier Rotorscheiben 3 versehen ist,
kann sie abhängig von dem gewünschten Kompressionsverhältnis auch mit
weniger Rotorscheiben 3 ausgestattet sein.
In der Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung gemäß dem
sechsten Ausführungsbeispiel kann der Abstand b zwischen den Oberflächen
der Rotorscheibe 3 und den entsprechenden Oberflächen des Stators 5 in
den Strömungsdurchlässen 7 von den Anfangsenden zu den Abschlußenden der Strömungsdurchlässe
7 hin wie im zweiten Ausführungsbeispiel allmählich abnehmen. Außerdem
kann die Dicke des äußeren Bereichs der Rotorscheibe 3, welcher
die Abstufungen 4 aufweist, zum Umfang hin allmählich abnehmen, und die Breite
der ringförmigen Ausnehmung 6 kann zu ihrem Abschluß hin allmählich ab
nehmen, so daß der Abstand b zwischen den Abstufungen 4 und den entsprechenden
Seitenwänden der ringförmigen Ausnehmung 6 in jeder radialen Position gleich
ist, wie dies beim dritten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Schließlich kann
das Gehäuse 1 mit einer Mehrzahl von Einlaßöffnungen 15 versehen sein,
die in regelmäßigen Winkelabständen angeordnet sind, sowie mit mehreren
Auslaßöffnungen 10, die in regelmäßigen Winkelabständen angeordnet sind, und
mit mehreren Luftstrom-Unterbrechern 8, die in regelmäßigen Winkelabständen in geeigneten
Positionen relativ zu den Einlaßöffnungen 15 und den Auslaßöffnungen 10
vorgesehen sind, um das Gas in eine Mehrzahl von Bereichen der Strömungsdurchlässe 7
zu komprimieren und zu pumpen.
Die in den Fig. 20 bis 31 dargestellte Vakuumpumpe gemäß einem siebten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Verbundvakuumpumpe
mit einem Gehäuse 1, einer Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Aus
nehmung, die im oberen Abschnitt des Gehäuses 1 vorgesehen ist, und mit einer
Wirbelvakuumpumpeneinheit 19, die im unteren Abschnitt des Gehäuses 1
angeordnet ist. Die Vakuumpumpeneinheit 13 und die Wirbelvakuumpumpeneinheit
19 haben einen gemeinsamen Rotor 14. Der Rotor 14 ist integral mit
drei Rotorscheiben 3 für die Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Aus
nehmung und acht Rotorscheiben 19a für die Wirbelvakuumpumpeneinheit 19
versehen. Die oberen Rotorscheiben 3 sind bezüglich ihrer Dicke größer als die
unteren Rotorscheiben 3, wie auch im fünften Ausführungsbeispiel der Fall.
Der äußere Bereich jeder Rotorscheibe 3 ist auf beiden Seiten eingeschnitten
und bildet dadurch Abstufungen 4. Bei den oberen Rotorscheiben 3 ist die
Einschnittiefe der Abstufungen 4 größer als bei den unteren Rotorscheiben 3, so daß
der Abstand b zwischen den Abstufungen 4 der oberen Rotorscheiben 3 und den
entsprechenden Oberflächen der Statoren 5 in den Strömungsdurchlässen 7 größer ist
als der entsprechende Abstand der unteren Rotorscheiben 3. Ähnlich wie beim
fünften Ausführungsbeispiel stehen beim siebten Ausführungsbeispiel die Abschlußenden
der Strömungsdurchlässe 7 auf der Auslaßseite der Luftstrom-Unterbrecher 8 für die
Rotorscheibe 3 mit den Anfangsenden der Strömungsdurchlässe 7 auf der Einlaßseite
der Luftstrom-Unterbrecher 8 für die Rotorscheibe 3 durch einen Verbindungsdurchlaß
11 in Verbindung. Die Luftstrom-Unterbrecher 8 für die jeweiligen Rotor
scheiben 3 und die Verbindungsdurchlässe 11 sind aufeinanderfolgend in
Winkelabständen angeordnet. Die Anfangsenden der Strömungsdurchlässe 7 für die
oberste Rotorscheibe 3 auf der Einlaßseite der Luftstrom-Unterbrecher 8 kommunizieren
mit einer Einlaßöffnung 9, wie Fig. 29 zeigt, und die Abschlußenden der
Strömungsdurchlässe 7 für die unterste Rotorscheibe 3 auf der Auslaßseite des Luftstrom-
Unterbrechers 8 kommunizieren mit einer Zwischenauslaßöffnung 20, welche mit
der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 in Verbindung ist, wie Fig. 31 zeigt.
Die Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 umfaßt acht Rotorscheiben 19a, von denen
jede in ihrem äußeren Bereich mit radialen Ausnehmungen 19b versehen ist,
sowie Statoren 19c mit je einem Durchlaß 19d, der den äußeren Bereich
der entsprechenden Rotorscheibe 19a aufnimmt.
Die Arbeitsweise dieser zusammengesetzten Vakuumpumpe wird im folgenden
beschrieben.
In einer ersten Arbeitsstufe strömt ein Gas, das durch die Einlaßöffnung 9
in das Gehäuse 1 gesaugt wird, während der Rotor 14 mit einer hohen
Rotationsgeschwindigkeit durch einen Motor 17 gedreht wird, in
Wirbelströmung und wird zuerst durch die Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 komprimiert
und gepumpt, bis das Gas bis zu einem Druck von etwa 1 kPa komprimiert
ist. In dieser Arbeitsstufe strömt das Gas nur durch die Strömungsdurchlässe 7 der
Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung. Nachdem der Druck
einen Wert in einem Druckbereich erreicht hat, der dem Strömungsmodus
bereich von molekularem Strömungsmodus bis zu viskosem Strömungsmodus
entspricht, trifft das Gas auf die Oberflächen der Abstufungen 4 auf, welche
in dem äußeren Bereich der Rotorscheiben 3, die mit der höchsten Ober
flächengeschwindigkeit rotieren, gebildet sind. Daraufhin wird durch eine
molekulare Widerstandswirkung, die auf der Reibung zwischen den Gas
molekülen beruht, bewirkt, daß das Gas nacheinander durch die Strömungsdurchlässe 7
und die Verbindungsdurchlässe 11 strömt, wie durch einen Pfeil in Fig. 30
angedeutet, und durch die Zwischenauslaßöffnung 20 bei einem Druck von
über 1 kPa zu der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 geführt wird. Danach wird
das Gas von den acht Stufen der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 zu
Atmosphärendruck komprimiert und gepumpt und durch die Auslaßöffnung 10
abgeführt.
Da die Funktionsteile der zusammengesetzten Vakuumpumpe zum Komprimieren
und Abführen des Gases keine Teile aufweisen, die in Gleitkontakt stehen,
benötigen sie kein Pumpen- oder Schmieröl. Dementsprechend kann mit der
zusammengesetzten Vakuumpumpe auf einfache Weise ein sauberes und
trockenes Vakuum hergestellt werden, wobei keine gefährlichen Gase
entstehen.
Ein zu der Auslaßöffnung 10 führender Durchlaß kann mit einem rohrförmigen
Diffusor 21 ausgekleidet sein, der aus einem porösen Material, wie z. B.
Schwamm, besteht und das während des Betriebs durch die zusammengesetzte
Vakuumpumpe erzeugte Geräusch dämpft.
Versuche haben ergeben, daß die zusammengesetzte Vakuumpumpe gemäß dem
siebten Ausführungsbeispiel, welche einen kompakten und gewichtsmäßig
leichten Aufbau von 300 mm Außendurchmesser, 650 mm Höhe und etwa
90 kg Gewicht hat, es ermöglicht, den Druck eines Systems auf einen Enddruck
von 1 Pa oder darunter zu reduzieren und bei einer Pumpgeschwindigkeit
von 100 m³/h oder darüber in dem Einlaßdruckbereich von 3 bis 60 Pa
zu arbeiten. Die zusammengesetzte Vakuumpumpe mit dieser Leistung kann
daher sehr wirksam bei einem Vakuumgerät für das Halbleiterherstellungs
verfahren eingesetzt werden.
Da der gemeinsame Rotor 14 sowohl mit den Rotorscheiben 3 der Vakuum
pumpeneinheit 13 als auch mit den Rotorscheiben 19a der Wirbelvakuum
pumpeneinheit 19 versehen ist, kann darüber hinaus das dynamische Gleich
gewicht des Rotors 14 auf einfache Weise eingestellt werden, und der Rotor
14 rotiert mit der geringsten Vibration. Da sich die Auslaßöffnung 10 in der
Nähe der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 befindet, welche die Rotorscheiben
19a enthält, die radiale Ausnehmungen 19b aufweisen und bei einer hohen
Rotationsgeschwindigkeit rotieren, ist die Gaspulsation des abgeführten Gases
gering, und es wird kaum Lärm erzeugt. Sollten schließlich während des
Betriebs einige feste Teilchen in die zusammengesetzte Vakuumpumpe gesaugt
werden oder sollten feste Teilchen in der zusammengesetzten Vakuumpumpe
erzeugt werden, so werden diese radial nach außen geschleudert und von der
zusammengesetzten Vakuumpumpe zusammen mit dem Gas abgeführt.
Obwohl die zusammengesetzte Vakuumpumpe gemäß dem siebten Ausführungs
beispiel mit der Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung versehen
ist, welche drei Rotorscheiben 3 aufweist, kann die Anzahl der Rotorscheiben
3 abhängig von dem erforderlichen Druckverhältnis frei variiert
werden.
In der Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung gemäß dem
siebten Ausführungsbeispiel kann der Abstand b zwischen den Oberflächen
der Rotorscheiben 3 und den entsprechenden Oberflächen der Statoren 5 in
den Strömungsdurchlässen 7 allmählich von den Anfangsenden zu den Abschlußenden der
Strömungsdurchlässe 7 wie beim zweiten Ausführungsbeispiel abnehmen. Die Dicke der
äußeren Bereiche der die Abstufungen 4 aufweisenden Rotorscheiben kann allmählich
zum Umfang hin abnehmen, und die Breite der ringförmigen Ausnehmung
6 kann zu ihrem Abschluß hin allmählich abnehmen, so daß der Abstand b
zwischen den Abstufungen 4 und den entsprechenden Seitenflächen der ringförmigen
Ausnehmung 6 in jeder radialen Position auf den Abstufungen 4 wie beim dritten
Ausführungsbeispiel gleich ist. Außerdem können die Einlaßöffnung 9 und
die Auslaßöffnung 10 an einer Mehrzahl von Positionen in regelmäßigen
Winkelabständen an dem Gehäuse 1 angebracht sein, und die Strömungsdurchlässe 7
können durch eine Mehrzahl von Luftstrom-Unterbrechern 8 in eine Mehrzahl von Bereichen
geteilt sein, so daß das Gas in eine Mehrzahl von Bereichen der Strömungsdurchlässe 7
jeder Rotorscheibe 3 komprimiert und gepumpt wird, wie dies auch im vierten
Ausführungsbeispiel der Fall ist.
In den Fig. 33 bis 35 ist eine zusammengesetzte Vakuumpumpe gemäß einem
achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche
ein Gehäuse 1 umfaßt, eine Turbomolekularpumpeneinheit 12, die in dem
obersten Teil des Gehäuses 1 vorgesehen ist, eine Vakuumpumpeneinheit 13 mit
peripherer Ausnehmung, die im mittleren Teil des Gehäuses 1 vorgesehen ist,
und eine Wirbelvakuumpumpeneinheit 19, welche im untersten Teil des
Gehäuses 1 vorgesehen ist. Ein gemeinsamer Rotor 14 ist integral mit drei
Rotorschaufeln 12a für die Turbomolekularpumpeneinheit 12 versehen, mit
drei Rotorscheiben für die Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung
und mit acht Rotorscheiben 19a für die Wirbelvakuumpumpeneinheit 19.
Die Turbomolekularpumpeneinheit 12 umfaßt die vier Rotorschaufeln 12a,
welche sich radial vom Umfang des Rotors 14 erstrecken, und Statorschaufeln
12b, die sich vom inneren Umfang des Gehäuses 1 nach innen erstrecken.
Die Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung enthält eine alternierende
Anordnung der drei Rotorscheiben 3, welche sich radial vom Umfang des
Rotors 14 erstrecken, und Statoren 5. Die äußeren Bereiche der Rotor
scheiben 3 sind auf beiden Seiten in Abstufungen, ähnlich denjenigen nach dem
fünften Ausführungsbeispiel, eingeschnitten, derart, daß der Abstand b zwischen
den Oberflächen der Abstufungen 4 der oberen Rotorscheiben 3 und den entsprechenden
Oberflächen der Statoren 5 in Strömungsdurchlässen 7 größer ist als der
Abstand zwischen den Oberflächen der Abstufungen 4 der unteren Rotorscheiben 3
und den entsprechenden Oberflächen der Statoren 5 in Strömungsdurchlässen 7.
Ähnlich den Strömungsdurchlässen 7 des fünften Ausführungsbeispiels kommunizieren die
Abschlußenden der Strömungsdurchlässe 7 für die Rotorscheibe 3 auf der Auslaßseite
eines Luftstrom-Unterbrechers 8 mit den Anfangsenden der Strömungsdurchlässe 7 für die
Rotorscheibe 3 auf der Auslaßseite eines Luftstrom-Unterbrechers 8 durch einen
Verbindungsdurchlaß 11. Die Luftstrom-Unterbrecher 8 und die Verbindungsdurchlässe 11
sind in Winkelabständen angeordnet. Die Anfangsenden der Strömungsdurchlässe 7 für
die oberste Rotorscheibe 3 auf der Einlaßseite des Luftstrom-Unterbrechers 8 kommuniziert
mit einer ersten Zwischeneinlaßöffnung 22, welche ihrerseits mit der
Turbomolekularpumpeneinheit 12 in Verbindung ist. Die Abschlußenden der
Strömungsdurchlässe 7 für die unterste Rotorscheibe 3 kommunizieren mit einer zweiten
Zwischeneinlaßöffnung 23, welche mit der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19
in Verbindung ist.
Ähnlich der Wirbelvakuumpumpeneinheit des siebten Ausführungsbeispiels
enthält die Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 acht Rotorscheiben 19a, die sich vom
Umfang des Rotors 14 erstrecken und jeweils radiale Ausnehmungen 19b aufweisen,
sowie Statoren 19c, die Durchlässe 19d definieren. Das Abschlußende
des untersten Durchlasses 19d steht mit einer Auslaßöffnung 10 in
Verbindung, wie in Fig. 33 gezeigt ist.
Da der Rotor 14 integral mit den Rotorschaufeln 12a, den Rotorscheiben 3
und den Rotorscheiben 19a der Pumpeneinheiten 12, 13 und 19 versehen ist,
rotiert er bei einer hohen Rotationsgeschwindigkeit mit den geringsten Vibrationen
und dem geringsten Geräusch.
Die Arbeitsweise der zusammengesetzten Vakuumpumpe wird im folgenden
beschrieben.
Nachdem ein Motor 17 betätigt wurde, um den Rotor 14 zur
Drehung anzutreiben, strömt in einer ersten Arbeitsstufe ein Gas, welches
durch die Einlaßöffnung 9 in das Gehäuse 1 gesaugt wird, in Wirbel- und
Übergangsströmung, und die Gasmoleküle prallen gegen die rotierenden Rotor
schaufeln 12a der Turbomolekularpumpeneinheit 12. Das Gas wird dann
komprimiert und durch die kombinierte Tätigkeit der Rotorschaufeln 12a und
der vom Gehäuse 1 vorspringenden Statorschaufeln 12b mit einem Impuls zum
Abwärtsströmen gebracht, der eine Komponente aufweist, welche eine der
Drehrichtung der Rotorschaufeln 12a entsprechende Richtung hat, und eine
Komponente, welche eine Abwärtsrichtung parallel zur Achse des Rotors 14
hat. In der ersten Arbeitsstufe benötigt die Turbomolekularpumpeneinheit 12
eine große Beschleunigungsdrehkraft, um den Rotor 14 gegen den Windverlust,
der auf das mit hoher Dichte im Rotor verbleibende Gas zurückzuführen ist,
und gegen das Trägheitsmoment des Rotors 14 anzutreiben. Die Rotations
geschwindigkeit des Rotors 14 ist gesteuert, so daß der Eingangsstrom des
Motors 17 nicht zu sehr ansteigt.
Das durch die Turbomolekularpumpeneinheit 12 komprimierte und gepumpte
Gas strömt durch die erste Zwischeneinlaßöffnung 22 in die Vakuumpumpeneinheit
13 mit peripherer Ausnehmung. In der Vakuumpumpeneinheit 13 mit
peripherer Ausnehmung wird das Gas bei einem hohen Kompressionsverhältnis
in einem Druckbereich komprimiert, welcher dem Strömungsmodus von molekularem
Strömungsmodus bis zu viskosem Strömungsmodus entspricht. Dann
wird aufgrund der molekularen Widerstandswirkung der Abstufungen 4 in den äußeren
Bereichen der Rotorscheiben 3, welche mit einer hohen Rotations
geschwindigkeit der Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung rotieren,
bewirkt, daß das Gas nacheinander durch die Verbindungsdurchlässe 11 und
Strömungsdurchlässe 7 der Rotorscheiben 3 strömt, wie durch den Pfeil in Fig. 34
angedeutet ist. Daraufhin strömt das Gas durch die zweite Zwischeneinlaß
öffnung 23 in die Wirbelvakuumpumpeneinheit 19, in welcher das Gas durch
die Tätigkeit der Rotorscheiben 19a komprimiert wird. Ein mögliches Druck
verhältnis in der Arbeitsstufe der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 liegt im
Bereich von 1,45 bis 2,0. Das Druckverhältnis einer Wirbelvakuumpumpen
einheit mit etwa zehn Stufen beträgt etwa 70. Das Gas mit einem Einlaß
druck im Bereich von etwa 700 Pa (5,2 Torr) zu Atmosphärendruck wird
durch eine Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 auf Atmosphärendruck komprimiert.
Dementsprechend ermöglicht es eine zusammengesetzte Vakuumpumpe gemäß
dem achten Ausführungsbeispiel, ein Gas von Atmosphärendruck mit einer
hohen Pumpgeschwindigkeit zu pumpen und ein Ultra-Hochvakuum zu
erzeugen.
Fig. 36 zeigt eine Kurve, welche das durch Versuche mit der zusammen
gesetzten Vakuumpumpe gemäß dem achten Ausführungsbeispiel erhaltene
Verhältnis zwischen Einlaßdruck und Pumpgeschwindigkeit darstellt. Bei der
zusammengesetzten Vakuumpumpe des achten Ausführungsbeispiels beträgt
dabei der Außendurchmesser der Rotorschaufeln 12a der Turbomolekular
pumpeneinheit 12 200 mm; die Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer
Ausnehmung ist eine Drei-Stufen-Vakuumpumpe mit peripherer Ausnehmung;
und der Außendurchmesser der Rotorscheiben 19a der Wirbelvakuumpumpeneinheit
19 beträgt 130 mm. Die Kurve der Fig. 36 entspricht im wesentlichen
einer Kurve, welche das Verhältnis zwischen Einlaßdruck und Pumpgeschwindigkeit
einer herkömmlichen zusammengesetzten Vakuumpumpe darstellt,
die eine Turbomolekularpumpeneinheit, eine Schraubenpumpeneinheit
und eine Wirbelvakuumpumpeneinheit, welche in der Richtung von der Einlaß
seite zu der Auslaßseite der zusammengesetzten Vakuumpumpe angeordnet
ist, sowie eine Vorvakuumpumpe, welche mit der zusammengesetzten Vakuumpumpe
verbunden ist, enthält. Die zusammengesetzte Vakuumpumpe gemäß dem achten
Ausführungsbeispiel ermöglicht es somit, ein Gas von Atmosphärendruck zu
pumpen und ein Ultra-Hochvakuum zu erzeugen.
Die axiale Länge des Rotors 14 kann bei weitem kleiner sein als diejenige
des Rotors der herkömmlichen zusammengesetzten Vakuumpumpe, weil die
Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung eine hohe Pumpleistung
hat. Da der Rotor 14 integral mit den Rotorschaufeln 12a der Turbo
molekularpumpeneinheit 12, den Rotorscheiben 3 der Vakuumpumpeneinheit 13
mit peripherer Ausnehmung und den Rotorscheiben 19a der Wirbelvakuum
pumpeneinheit 19 versehen ist und einen kompakten, leichten Aufbau hat,
rotiert er mit nur sehr geringen Vibrationen und erfordert keine sehr präzise
Verarbeitung. Die zusammengesetzte Vakuumpumpe gemäß dem achten
Ausführungsbeispiel ist somit eine kompakte, gewichtsmäßig leichte Vakuum
pumpe, die ein sauberes, trockenes Vakuum erzeugen kann. Werden der Rotor
14 und die Statoren 12b, 5 und 19c aus einer Aluminiumlegierung hergestellt
und mit einem korrosionsbeständigen Material beschichtet, so ist die zu
sammengesetzte Vakuumpumpe gegen korrodierende Gase beständig, und das
Schmieröl wird nicht verunreinigt. Da alle Pumpeneinheiten der zusammen
gesetzten Vakuumpumpe das Gas in radiale Richtungen beschleunigen und
die Auslaßöffnungen an den Umfängen der Pumpeneinheiten angeordnet sind,
ermöglicht die zusammengesetzte Vakuumpumpe einen gleichmäßigen Betrieb,
selbst wenn feste Teilchen zusammen mit dem Gas in die zusammengesetzte
Vakuumpumpe gesaugt werden oder wenn feste Teilchen durch eine chemische
Reaktion entstehen, während das Gas komprimiert wird, weil die
festen Teilchen durch die Auslaßöffnung nach außen abgeführt werden.
Die zusammengesetzte Vakuumpumpe kann daher sehr wirksam in einem
Vakuumgerät für ein Halbleiterherstellungssystem eingesetzt werden.
Die Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung kann abhängig von
dem gewünschten Druckverhältnis mit einer optimalen Anzahl von Rotor
scheiben 3 versehen sein.
In der Vakuumpumpeneinheit 13 mit peripherer Ausnehmung gemäß dem
achten Ausführungsbeispiel kann der Abstand b zwischen den Oberflächen der
äußeren Umfänge der Rotorscheiben 3 und den entsprechenden Oberflächen
der Statoren 5 in den Strömungsdurchlässen 7 allmählich von den Anfangsenden zu den
Abschlußenden der Strömungsdurchlässe 7 hin abnehmen, wie dies im zweiten Aus
führungsbeispiel der Fall ist. Die Dicke der äußeren Bereiche der Rotorscheiben
3 zwischen den Abstufungen 4 kann zum Umfang hin abnehmen, und die
Breite der ringförmigen Ausnehmungen 6 kann zu ihrem Abschluß hin ab
nehmen, so daß der Abstand b zwischen den Oberflächen der Abstufungen 4 und
den Seitenflächen der ringförmigen Aufnehmung 6 in jeder radialen Position
an den Abstufungen 4 gleich ist, wie dies auch beim dritten Ausführungsbeispiel
gezeigt ist. Außerdem können die Einlaßöffnung 9 und die Auslaßöffnung 10
an einer Mehrzahl von Positionen in regelmäßigen Winkelabständen vorgesehen
sein, und die Luftstrom-Unterbrecher 8 können an einer Mehrzahl von Positionen
für jede Rotorscheibe 3 in regelmäßigen Abständen vorgesehen sein und die
Strömungsdurchlässe 7 jeder Rotorscheibe 3 in eine Mehrzahl von Abschnitten unter
teilen, so daß das Gas von jeder Rotorscheibe 3 in einer Mehrzahl von
Abschnitten komprimiert und gepumpt wird.
Fig. 37 zeigt eine erste Abwandlung der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 der
zusammengesetzten Vakuumpumpe gemäß dem achten Ausführungsbeispiel.
Diese Wirbelvakuumpumpeneinheit besitzt Durchlässe 19d, die auf beiden
Seite jeder Rotorscheibe ausgebildet sind. Der Querschnitt eines Durchlasses
für die nächste Stufe beträgt 70% des Querschnitts der Durchlässe 19d, die
auf beiden Seiten der vorhergehenden Rotorscheibe 19a ausgebildet sind.
Fig. 38 zeigt eine zweite Abwandlung der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 der
zusammengesetzten Vakuumpumpe gemäß dem achten Ausführungsbeispiel.
Bei dieser Wirbelvakuumpumpeneinheit wird eine Rotorscheibe 19a verwendet,
die auf beiden Seiten mit Ausnehmungen 19b versehen ist, so daß die
Rotorscheibe 19a als Vier-Stufen-Pumpelement dient.
Eine Kombination der Rotorscheiben gemäß der ersten und zweiten Abwandlung
der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19, wie sie in den Fig. 37 und 38 dar
gestellt sind, ermöglicht eine Verminderung der Anzahl der Rotorscheiben
der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19, welche im wesentlichen keine Leistungs
verminderung der Wirbelvakuumpumpeneinheit 19 zur Folge hat.
In den Fig. 39 bis 42 ist eine Vakuumpumpe gemäß einem neunten Ausführungs
beispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche umfaßt: ein
Gehäuse 1, einen Rotor, bestehend aus einer Rotorwelle 2 und einer
Nabe 3a, die an der Rotorwelle 2 befestigt und integral mit zwei Rotor
scheiben 3 versehen ist, einen Stator 5, der mit zwei ringförmigen Aus
nehmungen versehen ist, die so ausgebildet sind, daß sie die Rotorscheiben 3
aufnehmen können, und Luftstrom-Unterbrecher 8, welche von dem Stator 5 jeweils in
derselben Winkelstellung in die ringförmigen Ausnehmungen 6 vorspringen.
Die Luftstrom-Unterbrecher 8 sperren die Strömungsdurchlässe 7 ab, welche auf beiden Seiten der
beiden Rotorscheiben 3 ausgebildet sind. Die Anfangsenden der Strömungsdurchlässe 7
an den Rotorscheiben 3 auf der Eingangsseite der Luftstrom-Unterbrecher 8 kommunizieren
mit einer Einlaßöffnung 9, und die Abschlußenden der Strömungsdurchlässe 7
an den Rotorscheiben 3 auf der Ausgangsseite der Luftstrom-Unterbrecher 8 kommunizieren
mit einer Auslaßöffnung 10. Die Breite der ringförmigen Ausnehmungen
6 ist so bestimmt, daß sich die Ungleichung
Kn = λ/b ≧ 4 × 10-3
ergibt, wobei Kn die Knudsen-Zahl ist, λ die mittlere freie Weglänge der
Gasmoleküle und b der Abstand zwischen den Oberflächen der Rotorscheiben 3
und den entsprechenden Seitenflächen der ringförmigen Ausnehmungen 6 in
den Strömungsdurchlässen 7 bedeuten.
Wenn die Rotorscheiben 3 von einem Motor zur Rotation in Richtung eines
Pfeils A in Fig. 39 mit einer hohen Umfangsgeschwindigkeit von 0,1- bis 1,0mal
der stochastischen mittleren Geschwindigkeit der Gasmoleküle angetrieben
werden, treffen die Gasmoleküle auf die Oberflächen der Abstufungen 4,
die in den äußeren Bereichen der Rotorscheiben 3 in den Strömungsdurchlässen 7 ausgebildet
sind, auf und werden aufgrund der molekularen Widerstandswirkung,
die auf der Reibung, zwischen den Molekülen beruht, transportiert. Auf diese
Weise wird das Gas in den Strömungsdurchlässen 7 komprimiert und zur Strömung
durch die Einlaßöffnung 9 in die Strömungsdurchlässe 7 veranlaßt, wie durch einen
Pfeil B in Fig. 39 und 40 angedeutet, sowie durch die Strömungsdurchlässe 7 hindurch,
was in Fig. 39 durch einen Pfeil C angedeutet ist, und schließlich wird das
Gas durch die Auslaßöffnung 10, wie in Fig. 39 und 42 durch einen Pfeil D
angedeutet ist, abgeführt. Die Vakuumpumpe mit peripherer Ausnehmung
ermöglicht somit das Pumpen von Gas in einem Strömungsmodus im Bereich
von molekularer Strömung zu viskoser Strömung. Die Fig. 43 zeigt gemessene
Druckcharakteristika der Vakuumpumpe mit peripherer Ausnehmung, die bei
Versuchen erhalten wurden.
In Fig. 43 ist der Einlaßdruck P₁ auf der Ordinate und der Auslaßdruck P₂
auf der Abszisse abgetragen. Eine Kurve A gibt die Kompressionscharakteristika
einer Vakuumpumpe mit peripherer Ausnehmung an, wenn b = 5 mm.
Auf einer Geraden R sind Einlaßdruck P₁ und ein entsprechender Auslaßdruck
P₂ gleich, und somit ist das Druckverhältnis 1. Werte der Knudsen-Zahl Kn,
wenn b = 5 mm, sind auf der Ordinate und der Abszisse abgetragen. Aus
der Kurve A ist ersichtlich, daß das Kompressionsverhältnis etwa 14 ist,
wenn P₁ ≦ 10-1 Torr (13 Pa), und etwa 3, wenn P₁ = 1 Torr (133 Pa).
Die Kompressionsleistung fällt steil ab, wenn der Wert der Knudsen-Zahl Kn
auf der Einlaßseite im Bereich von 4×10-3 bis 1×10-3 liegt, und die
Kompressionsleistung fällt weiter und das Druckverhältnis erreicht 1, wenn
der Wert der Knudsen-Zahl Kn auf der Auslaßseite unterhalb der unteren
Grenze des vorangegangenen Bereichs der Knudsen-Zahl Kn liegt.
In Fig. 43 gibt eine Kurve B die Kompressionsleistung der Vakuumpumpe mit
peripherer Ausnehmung an, wenn b = 20 mm. In Klammern eingeschlossene
Werte auf abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linien sind Werte der
Knudsen-Zahl Kn für die Kurve B. Die Pumpgeschwindigkeit bei der Kurve B
beträgt etwa das Vierfache wie bei der Kurve A. Wenn der Einlaßdruck auf
einen Wert ansteigt, der einen Wert der Knudsen-Zahl Kn im Bereich von
4×10-3 bis 1×10-3 ergibt, fällt die Kompressionsleistung steil ab. Die
Kompressionsleistung fällt weiter ab und das Druckverhältnis erreicht einen
Wert von 1, wenn der Wert der Knudsen-Zahl Kn unterhalb der unteren
Grenze des vorangegangenen Bereichs liegt.
Wie aus Fig. 43 ersichtlich ist, wird ein Betrieb bei einem vergleichsweise
hohen Druckverhältnis und einer vergleichweise hohen Pumpgeschwindigkeit
durch eine Vakuumpumpe mit peripherer Ausnehmung ermöglicht, welche
eine Knudsen-Zahl Kn mit einem Wert von weniger als 4×10-3 in einem
Strömungsmodusbereich von molekularer Strömung bis viskoser Strömung aufweist
und mit den Rotorscheiben 3 in zwei Stufen versehen ist und Strömungsdurchlässe
7 besitzt, die gemeinsam mit der Einlaßöffnung 9 und der Auslaß
öffnung 10 verbunden sind.
In den Fig. 44 bis 49 ist in einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung eine Vakuumpumpe mit peripherer Ausnehmung dargestellt,
welche umfaßt: ein Gehäuse 1, einen Rotor, bestehend aus einer Rotorwelle 2,
einer Nabe 3a, welche an dem oberen Ende der Rotorwelle 2 angebracht
ist, und drei Rotorscheiben 3, 3′ und 3′′, welche integral mit der
Nabe 3a ausgebildet und aufeinanderfolgend axial angeordnet sind und
Abstufungen 4 aufweisen, die durch eine Verminderung der Dicke der äußeren
Bereiche der Rotorscheiben gebildet sind, sowie einen Stator 5, der mit
ringförmigen Ausnehmungen 6 versehen ist, die jeweils den äußeren Bereich
der Rotorscheiben 3, 3′ und 3′′ aufnehmen. Durch die äußeren Bereiche der
Rotorscheiben 3, 3′ und 3′′ und die inneren Oberflächen der ringförmigen
Ausnehmungen 6 des Stators werden Strömungsdurchlässe 7, 7′ und 7′′ definiert. Die
Anfangsenden der Strömungsdurchlässe 7 und 7′′, d. h. die Enden auf der Seite einer
Einlaßöffnung 9, an der obersten Rotorscheibe und der mittleren Rotorscheibe
3′ kommunizieren mit der Einlaßöffnung 9. Die Abschlußenden der Strömungsdurchlässe
7 und 7′, d. h. die Enden auf der Seite einer Auslaßöffnung 10, an den
Rotorscheiben 3 und 3′ kommunizieren mit den Strömungsdurchlässen 7′′ an der untersten
Rotorscheibe 3′′ mittels eines Verbindungsdurchlasses 11, der in einem
Winkelabstand von der Einlaßöffnung 9 gebildet ist. Die Strömungsdurchlässe 7′′ an der
untersten Rotorscheibe 3′′ kommunizieren mit einer Auslaßöffnung 10, die
in einem Winkelabstand von dem Verbindungsdurchlaß 11 angeordnet ist.
Ein Gas, das durch die Einlaßöffnung 9 in die Vakuumpumpe mit peripherer
Ausnehmung gesaugt wird, wird nacheinander in den Strömungsdurchlässen 7, 7′ und
7′′ bei einem hohen Druckverhältnis komprimiert, während es nacheinander
durch die Strömungsdurchlässe 7, 7′ und 7′′ strömt.
Weder beim neunten Ausführungsbeispiel noch beim zehnten Ausführungs
beispiel sind die Strömungsdurchlässe für die beiden Eingangsrotorscheiben gemeinsam
mit der Einlaßöffnung verbunden. Falls nötig, können jedoch die Strömungsdurchlässe
von drei oder mehr auf einanderfolgenden Eingangsrotorscheiben gemeinsam
mit der Einlaßöffnung verbunden sein, um die Pumpgeschwindigkeit der
Vakuumpumpe mit peripherer Ausnehmung zu steigern.
Beim neunten oder zehnten Ausführungsbeispiel kann der Abstand b zwischen
den Oberflächen des äußeren Bereichs der Rotorscheibe 3 und den entsprechenden
Seitenflächen der ringförmigen Ausnehmung 6 des Stators 5 in den
Strömungsdurchlässen 7 allmählich von den Anfangsenden zu den Abschlußenden der
Strömungsdurchlässe 7 hin abnehmen, wie dies im zweiten Ausführungsbeispiel der
Fall ist. Die Dicke des äußeren Bereichs der Rotorscheibe 3, welche Abstufungen
4 aufweist, kann allmählich zum Umfang hin abnehmen, und die Breite der
ringförmigen Ausnehmung kann allmählich zu ihrem Abschluß hin abnehmen,
so daß der Abstand b zwischen den Oberflächen der Abstufung 4 und den entsprechenden
Seitenflächen der ringförmigen Ausnehmung 6 in jeder radialen
Position an den Abstufungen 4 gleich ist, wie dies beim dritten Ausführungsbeispiel
der Fall ist. Außerdem können die Einlaßöffnung 9 und die Auslaßöffnung 10
an einer Mehrzahl von Positionen in regelmäßigen Winkelabständen angeordnet
sein, und Luftstrom-Unterbrecher 8 können an einer Mehrzahl von Positionen vorgesehen
sein, wobei sie Strömungsdurchlässe 7 in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilen,
damit das Gas in einer Mehrzahl von Abschnitten von jeder Rotorscheibe
komprimiert und gepumpt wird, wie dies im vierten Ausführungsbeispiel
beschrieben ist.
Die Vakuumpumpe mit peripherer Ausnehmumg gemäß dem neunten oder
zehnten Ausführungsbeispiel muß nicht einzeln als Vakuumpumpe desselben
Prinzips verwendet werden, sondern kann auch in Kombination mit Hoch
vakuumpumpenelementen oder Großvakuumpumpenelementen von verschiedenen
Pumpenprinzipien in einer koaxialen Anordnung eingesetzt werden, wodurch
eine zusammengesetzte Vakuumpumpe entsteht. Es steigert zum Beispiel
die Pumpgeschwindigkeit der Vakuumpumpeneinheit mit peripherer Ausnehmung,
wenn das Prinzip der Vakuumpumpe mit peripherer Ausnehmung
gemäß dem neunten oder zehnten Ausführungsbeispiel auf die Vakuumpumpen
einheit mit peripherer Ausnehmung der zusammengesetzten Vakuumpumpe
gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, welche eine Turbomolekularpumpen
einheit umfaßt, angewandt wird. Die Anwendung des Prinzips der Pumpe
mit peripherer Ausnehmung gemäß dem neunten oder zehnten Ausführungs
beispiel steigert somit die allgemeine Leistung der zusammengesetzten
Vakuumpumpe, wenn sie eine große Leistungsfähigkeit besitzt.
Die Anwendung des Prinzips der Vakuumpumpe mit peripherer Ausnehmung
gemäß dem neunten oder zehnten Ausführungsbeispiel auf die Vakuumpumpen
einheit mit peripherer Ausnehmung der zusammengesetzten Vakuumpumpe
gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel, welche eine Wirbelvakuumpumpen
einheit umfaßt, fördert die allgemeine Leistung der zusammengesetzten
Vakuumpumpe. Ferner ist es für die allgemeine Leistung der zusammen
gesetzten Vakuumpumpe von Vorteil, das Prinzip der Vakuumpumpe mit
peripherer Ausnehmung gemäß dem neunten oder zehnten Ausführungsbeispiel
auf die Vakuumpumpeneinheit mit peripherer Ausnehmung der zusammen
gesetzten Vakuumpumpe anzuwenden, welche die Turbomolekularpumpeneinheit
und die Wirbelvakuumpumpeneinheit umfaßt.
Es wird noch einmal betont, daß die Ausnehmungen wenigstens auf zweierlei
Weise realisiert werden können. Bei der ersten Realisierung setzt sich die
Rotorscheibe 3 gewissermaßen verjüngt nach außen fort, wobei zwischen dem
dickeren Teil der Rotorscheibe und dem dünneren Teil eine Abstufung vorgesehen
ist. Der Stator besitzt hierbei eine Ausnehmung, welche die Rotorscheibe 3
auch dann aufnehmen könnte, wenn sie bis an ihr Ende dick wäre. Die zweite
Realisierung betrifft eine Umkehrung des vorstehenden Gedankens. Hierbei
bleibt die Rotorscheibe 3 bis an ihr Ende gleichmäßig dick, und nur der
Stator 5 weist eine Nut auf, die zunächst etwa die Dicke der Rotorscheibe 3
hat und sich dann nach außen hin erweitert. Diese letzterwähnte Umkehrung
ist in den Figuren nicht im Detail dargestellt.
Die Knudsen-Zahl Kn = λ/d dient u. a. zur Unterscheidung zwischen freier
Molekularströmung und gasdynamischer Strömung, wobei λ die mittlere freie
Weglänge im Gas und d eine charakteristische Länge der Gasströmung, zum
Beispiel der Durchmesser eines Strömungskanals, einer Rohrleitung oder Düse
ist. Bei K <0,5 gelten die Gesetze der freien Molekularströmung, während
für K <0,01 die Gesetze der gasdynamischen Strömung gelten. Die Knudsen-
Zahl Kn ist also ein Kriterium dafür, ob eine Strömung viskos oder molekular
ist. Die molekulare Strömung oder Knudsen-Strömung tritt auf, wenn
die mittlere freie Weglänge in die Größenordnung der Querschnitts
abmessungen kommt. Bei dieser Strömungsart treten die Gasteilchen
bevorzugt mit den Wänden des Verbindungselements in Wechselwirkung.
Claims (14)
1. Vakuumpumpe mit einem eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung aufweisenden
Gehäuse, wobei in dem Gehäuse ein Rotor mit einer Rotorwelle und einer Rotorscheibe
und ein Stator mit einer ringförmigen, die Enden der Rotorscheibe aufnehmenden
Ausnehmung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober-
und Unterseite der Rotorscheibe (3) Abstufungen (4) aufweisen, so daß die Rotorscheibe
(3) im auf die Rotorwelle (2) bezogenen äußeren Bereich dünner als im
inneren Bereich ist, und daß die Rotorscheibe (3) in eine ringförmige Ausnehmung
(6) des Stators (5) eingreift, wobei zwischen dem dünneren Bereich der Rotorscheibe
(3) und dem Stator (5) Strömungsdurchlässe (7) gebildet werden.
2. Vakuumpumpe mit einem eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung aufweisenden
Gehäuse, wobei in dem Gehäuse ein Rotor mit einer Rotorwelle und einer Rotorscheibe
und ein Stator mit einer ringförmigen, die Enden der Rotorscheibe aufnehmenden
Ausnehmung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorscheibe
(3) über ihre ganze radiale Erstreckung gleiche Stärke besitzt und daß die
ringförmige Ausnehmung (6) des Stators (5) im auf die Rotorwelle (2) bezogenen
äußeren Bereich breiter ist als im inneren Bereich, wobei zwischen dem äußeren
Bereich der Rotorscheibe (3) und dem äußeren Bereich des Stators (5) Strömungsdurchlässe
(7) gebildet sind.
3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich Luftstrom-
Unterbrecher (8) vom Stator (5) zu den Strömungsdurchlässen (7) erstrecken,
wobei die Anfangsenden (B) der Strömungsdurchlässe (7) für die Rotorscheibe (3)
auf der Einlaßseite der Luftstrom-Unterbrecher (8) mit der Einlaßöffnung (9) in Verbindung
stehen, während die Abschlußenden (D) der Strömungsdurchlässe (7) für die
Rotorscheibe (3) auf der Auslaßseite der Luftstrom-Unterbrecher (8) mit der Auslaßöffnung
(10) kommunizieren.
4. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem
Gehäuse (1) eine Nabe (3a) mit mehreren Rotorscheiben (3) und ein Stator (5) mit
mehreren ringförmigen, die Enden der Rotorscheiben aufnehmenden Ausnehmungen
vorgesehen sind.
5. Vakuumpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußenden
der Strömungsdurchlässe (7) auf der Auslaßseite des Luftstrom-Unterbrechers
(8) für die in Ansaugrichtung obere Rotorscheibe der beiden benachbarten Rotorscheiben
und die Anfansenden der Strömungsdurchlässe (7) auf der Einlaßseite des
Luftstrom-Unterbrechers (8) für die in Strömungsrichtung untere Rotorscheibe durch
einen Verbindungsdurchlaß miteinander kommunizieren, wobei die Anfangsenden
der Strömungsdurchlässe auf der Einlaßseite des Luftstrom-Unterbrechers (8) für die
oberste Rotorscheibe mit der Einlaßöffnung in Verbindung stehen und die Abschlußenden
der Strömungsdurchlässe auf der Auslaßseite des Luftstrom-Unterbrechers
(8) für die bezüglich der Strömungsrichtung des Gases unterste Rotorscheibe mit der
Auslaßöffnung kommunizieren.
6. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand (b) zwischen den Oberflächen des äußeren Bereichs einer Rotorscheibe (3)
mit den entsprechenden inneren Oberflächen der ringförmigen Ausnehmung (6) des
Stators (5) von den Anfangsenden zu den Abschlußenden der Strömungsdurchlässe
(7) hin allmählich abnimmt.
7. Vakuumpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Knudsen-
Zahl Kn nicht kleiner als 4×10-3 ist, wobei in der Knudsen-Zahl Kn = λ/b die Größe
λ die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle bei Betriebsdruck und b der Abstand
zwischen den Oberflächen des äußeren Bereichs einer Rotorscheibe (3) und den entsprechenden
Seitenflächen der ringförmigen Ausnehmung (6) des Stators (5) in den
Strömungsdurchlässen (7) ist, wobei die Anfangsenden der Strömungsdurchlässe (7)
für zwei oder mehr bezüglich der Strömungsrichtung des Gases obersten Rotorscheibe
gemeinsam mit der Einlaßöffnung verbunden sind.
8. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Turbomolekularpumpeneinheit (12) in einem bezüglich der Strömungsrichtung des
Gases oberen Abschnitt des Gehäuses (1) angeordnet ist und daß eine Vakuumpumpeneinheit
(13) mit peripherer Ausnehmung (6) in einem bezüglich der
Strömungsrichtung des Gases unteren Abschnitt des Gehäuses (1) angeordnet ist.
9. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Vakuumpumpeneinheit (13) mit peripherer Ausnehmung (6) in einem bezüglich der
Strömungsrichtung des Gases oberen Abschnitt des Gehäuses (1) angeordnet ist und
daß eine Wirbelvakuumpumpeneinheit (19) in einem bezüglich der Strömungsrichtung
des Gases unteren Abschnitt des Gehäuses (1) angeordnet ist.
10. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Turbomolekularpumpeneinheit
(12) in dem bezüglich der Strömungsrichtung des Gases
obersten Bereich des Gehäuses (1) angeordnet ist, daß eine Vakuumpumpeneinheit
(13) mit peripherer Ausnehmung im mittleren Bereich des Gehäuses (1) angeordnet
ist und daß eine Wirbelvakuumpumpeneinheit (19) in dem bezüglich der Strömungsrichtung
des Gases unteren Bereich des Gehäuses (1) angeordnet ist.
11. Vakuumpumpe nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Luftstrom-Unterbrecher (8) Wandungen sind und
daß zwei Luftstrom-Unterbrecher (8) mit einer Auslaßöffnung (10) kommunizieren.
12. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dicke des äußeren Bereichs der Rotorscheibe (3) zur Peripherie hin allmählich
abnimmt und daß die Breite der ringförmigen Ausnehmung (6) radial nach außen hin
abnimmt, so daß die Breite B der Strömungsdurchlässe (7) an jeder Stelle des
äußeren Bereichs der Rotorscheibe (3) bezüglich der radialen Richtung gleich ist.
13. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei oder
mehr Paare von Luftstrom-Unterbrechern (8) vorgesehen sind, welche die Strömungsdurchlässe
(7) in drei oder mehr Abschnitte unterteilen.
14. Vakuumpumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß drei Paare
Luftstrom-Unterbrecher (8) in Winkelabständen in den Strömungsdurchlässen (7, 7′
7′′) für drei Rotorscheiben (3, 3′, 3′′) angeordnet sind und daß Verbindungsdurchlässe
(11) in Winkelabständen zwischen benachbarten Strömungsdurchlässen (7, 7′, 7′′) für
benachbarte Rotorscheiben (3, 3′, 3′′) vorgesehen sind.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63174148A JP2761486B2 (ja) | 1988-07-13 | 1988-07-13 | 円周溝真空ポンプ |
JP63186632A JP2628351B2 (ja) | 1988-07-26 | 1988-07-26 | 複合分子ポンプ |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3919529A1 DE3919529A1 (de) | 1990-01-18 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3919529A Expired - Fee Related DE3919529C2 (de) | 1988-07-13 | 1989-06-15 | Vakuumpumpe |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US5074747A (de) |
DE (1) | DE3919529C2 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19915307A1 (de) * | 1999-04-03 | 2000-10-05 | Leybold Vakuum Gmbh | Reibungsvakuumpumpe mit aus Welle und Rotor bestehender Rotoreinheit |
EP2341251B1 (de) | 2008-10-03 | 2018-12-26 | Shimadzu Corporation | Turbomolekulare pumpe |
Families Citing this family (27)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5238362A (en) * | 1990-03-09 | 1993-08-24 | Varian Associates, Inc. | Turbomolecular pump |
IT1241431B (it) * | 1990-03-09 | 1994-01-17 | Varian Spa | Pompa turbomolecolare perfezionata. |
US5358373A (en) | 1992-04-29 | 1994-10-25 | Varian Associates, Inc. | High performance turbomolecular vacuum pumps |
JP2527398B2 (ja) * | 1992-06-05 | 1996-08-21 | 財団法人真空科学研究所 | タ―ボ分子ポンプ |
WO1994007033A1 (en) * | 1992-09-23 | 1994-03-31 | United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Turbo-molecular blower |
DE4314418A1 (de) * | 1993-05-03 | 1994-11-10 | Leybold Ag | Reibungsvakuumpumpe mit unterschiedlich gestalteten Pumpenabschnitten |
GB9318801D0 (en) * | 1993-09-10 | 1993-10-27 | Boc Group Plc | Improved vacuum pumps |
JPH0886298A (ja) * | 1994-09-19 | 1996-04-02 | Hitachi Ltd | ドライターボ真空ポンプ |
US5709528A (en) | 1996-12-19 | 1998-01-20 | Varian Associates, Inc. | Turbomolecular vacuum pumps with low susceptiblity to particulate buildup |
JP3079367B2 (ja) * | 1997-10-03 | 2000-08-21 | セイコー精機株式会社 | ターボ分子ポンプ |
GB2333127A (en) * | 1997-10-21 | 1999-07-14 | Varian Associates | Molecular drag compressors having finned rotor construction |
US6193461B1 (en) | 1999-02-02 | 2001-02-27 | Varian Inc. | Dual inlet vacuum pumps |
US6179573B1 (en) | 1999-03-24 | 2001-01-30 | Varian, Inc. | Vacuum pump with inverted motor |
US6220824B1 (en) | 1999-06-21 | 2001-04-24 | Varian, Inc. | Self-propelled vacuum pump |
DE19942410A1 (de) * | 1999-09-06 | 2001-03-08 | Pfeiffer Vacuum Gmbh | Vakuumpumpe |
US6450772B1 (en) | 1999-10-18 | 2002-09-17 | Sarcos, Lc | Compact molecular drag vacuum pump |
JP3777498B2 (ja) * | 2000-06-23 | 2006-05-24 | 株式会社荏原製作所 | ターボ分子ポンプ |
DE10053663A1 (de) * | 2000-10-28 | 2002-05-08 | Leybold Vakuum Gmbh | Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit Rotor und Welle |
US6607351B1 (en) | 2002-03-12 | 2003-08-19 | Varian, Inc. | Vacuum pumps with improved impeller configurations |
US7223064B2 (en) * | 2005-02-08 | 2007-05-29 | Varian, Inc. | Baffle configurations for molecular drag vacuum pumps |
US7445422B2 (en) * | 2005-05-12 | 2008-11-04 | Varian, Inc. | Hybrid turbomolecular vacuum pumps |
ITTO20100070A1 (it) * | 2010-02-01 | 2011-08-02 | Varian Spa | Pompa da vuoto, in particolare pompa da vuoto turbomolecolare. |
CN102985364B (zh) * | 2010-06-16 | 2015-05-20 | 信越化学工业株式会社 | 钟罩清洁化方法、多晶硅的制造方法以及钟罩用干燥装置 |
GB2498816A (en) * | 2012-01-27 | 2013-07-31 | Edwards Ltd | Vacuum pump |
CN103644118B (zh) * | 2013-12-17 | 2016-02-03 | 储继国 | 并联环流泵、组合环流泵、复合环流泵及其抽气机组 |
US9562532B2 (en) * | 2014-05-15 | 2017-02-07 | Higra Industrial Ltda | Progressive vortex pump |
GB2589151A (en) * | 2019-11-25 | 2021-05-26 | Edwards Ltd | Molecular drag vacuum pump |
Family Cites Families (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE239213C (de) * | ||||
US1069408A (en) * | 1909-12-22 | 1913-08-05 | Wolfgang Gaede | Method and apparatus for producing high vacuums. |
US2396319A (en) * | 1943-10-01 | 1946-03-12 | Zephyr Wayne Company | Pump |
US2684034A (en) * | 1951-05-12 | 1954-07-20 | Roth Co Roy E | Liquid cooling structure for pump shafts |
US2842062A (en) * | 1951-10-31 | 1958-07-08 | Pratt & Whitney Co Inc | Vortex pump |
US3283844A (en) * | 1963-09-05 | 1966-11-08 | United Geophysical Corp | Seismic prospecting system |
GB1373955A (en) * | 1971-04-03 | 1974-11-13 | Bullough W A | Combined viscosity pump and electric motor |
FR2224009A5 (de) * | 1973-03-30 | 1974-10-25 | Cit Alcatel | |
US3915589A (en) * | 1974-03-29 | 1975-10-28 | Gast Manufacturing Corp | Convertible series/parallel regenerative blower |
IT1032818B (it) * | 1975-05-06 | 1979-06-20 | Rava E | Perfezionamento alle pompe turbomo lecolari |
US4325672A (en) * | 1978-12-15 | 1982-04-20 | The Utile Engineering Company Limited | Regenerative turbo machine |
JPS57171191U (de) * | 1981-04-22 | 1982-10-28 | ||
US4732529A (en) * | 1984-02-29 | 1988-03-22 | Shimadzu Corporation | Turbomolecular pump |
DE3424520C2 (de) * | 1984-07-04 | 1986-07-10 | SWF Auto-Electric GmbH, 7120 Bietigheim-Bissingen | Kraftstofförderpumpe |
JPS6172896A (ja) * | 1984-09-17 | 1986-04-14 | Japan Atom Energy Res Inst | 高速回転ポンプ |
JPS61247893A (ja) * | 1985-04-26 | 1986-11-05 | Hitachi Ltd | 真空ポンプ |
JPS63147991A (ja) * | 1986-12-09 | 1988-06-20 | Daikin Ind Ltd | 複合真空ポンプ |
JPS63159695A (ja) * | 1986-12-23 | 1988-07-02 | Shimadzu Corp | タ−ボ分子ポンプ |
-
1989
- 1989-06-15 DE DE3919529A patent/DE3919529C2/de not_active Expired - Fee Related
-
1990
- 1990-09-14 US US07/582,783 patent/US5074747A/en not_active Expired - Lifetime
-
1991
- 1991-10-01 US US07/769,463 patent/US5160250A/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19915307A1 (de) * | 1999-04-03 | 2000-10-05 | Leybold Vakuum Gmbh | Reibungsvakuumpumpe mit aus Welle und Rotor bestehender Rotoreinheit |
EP2341251B1 (de) | 2008-10-03 | 2018-12-26 | Shimadzu Corporation | Turbomolekulare pumpe |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US5160250A (en) | 1992-11-03 |
US5074747A (en) | 1991-12-24 |
DE3919529A1 (de) | 1990-01-18 |
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DE4206972C2 (de) |
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