DE4317205A1 - Turbomolekularpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomolekularpumpe und insbesondere auf eine Turbomolekularpumpe mit Magnetlagerung für den Pumpbetrieb unter hohem Unterdruck. Ganz besonders bezieht sie sich auf eine Turbomolekularpumpe, die sich zum Pumpbetrieb unter extrem hohem Unterdruck durch Verbesserung der Wärmeübertra­ gungsleistung infolge der Wärmeabstrahlung von einem Laufrad der Pumpe einsetzen läßt.

Eine herkömmliche Turbomolekularpumpe weist ein Gehäuse mit einem Einlaß im Endbereich und einem Auslaß am anderen Endbereich auf, sowie ein Laufrad, das mittels einer Magnetlagerung im Gehäuse schwimmend gehalten wird. Das Flügelrad weist Flügelradschaufeln in der Weise auf, daß es mehrstufig ist. Des weiteren ist im Gehäuse ein Leitrad vorgesehen, das Leitradschaufeln aufweist, die unter Belas­ sung sehr kleiner Lücken zwischen die Flügelradschaufeln so einge­ setzt sind, daß sich ein mehrstufiger Aufbau ergibt, wobei sie mittels Zwischenringen auf einer Innenwandung des Gehäuses befestigt sind. Und ferner ist ein Motor koaxial zum Flügelrad angeordnet, der für den Drehantrieb des Flügelrads im Gehäuse sorgt, wobei ein Meßfühler die Drehzahl des Motors erfaßt.

Bei Einsatz einer in der vorstehend erläuterten Weise aufgebau­ ten herkömmlichen Turbomolekularpumpe mit Magnetlagerung dreht sich das Flügelrad unter Bedingungen, in denen es zur Gasabgabe völlig schwimmend unter Unterdruckbedingungen umläuft. Das Flügel­ rad ist nämlich in einem Zustand schwimmend gelagert, in dem es kei­ nerlei Berührung mit dem Gehäuse und unter Unterdruckbedingungen mit dem Leitrad hat.

Allerdings treten bei der vorstehend erläuterten herkömmlichen Turbomolekularpumpe mit Magnetlagerung einige Probleme auf.

Da das Flügelrad schwimmend in einem Zustand gelagert ist, in dem es keinerlei Berührung mit dem Gehäuse oder dem Leitrad hat, ist die Wärmeübertragungsleistung zwischen dem Flügelrad und den be­ nachbarten Bauteilen gering. Und zwar liegt, da das Flügelrad weder das Gehäuse noch das Leitrad berührt, keine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung vor, und weil sich das Flügelrad unter ultrahohen Un­ terdruckbedingungen befindet und weder das Gehäuse noch das Leit­ rad berührt, liegt auch keine Wärmeübertragung durch Konvektion vor. Infolgedessen wird Wärme nur durch Abstrahlung übertragen. Das Flügelrad besteht im allgemeinen aus einer Aluminiumlegierung, und die Leitradschaufeln und die Zwischenringe, die zur Befestigung der Leitradschaufeln angebracht sind, bestehen ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung. Diese Aluminiumlegierung besitzt ein geringes Emissionsvermögen, und zwar von nur rund 0,04. Darüberhinaus hat Edelstahl, der häufig als Werkstoff für den Bau von Unterdruckgerät eingesetzt, auch nur ein Emissionsvermögen von etwa 0,4. Somit wäre auch durch Wärmeabstrahlung eine hohe Wärmeübertragungsleistung nicht zu erwarten.

Insbesondere kann bei einer Ausheizbehandlung unter Verwen­ dung einer Heizvorrichtung außerhalb des Gehäuses zur Herauslösung von Gasen, die in der Flügelradoberfläche adsorbiert wurden, die Temperatur des Flügelrads nicht einen ausreichend hohen Ausheizwert erreichen, da zwischen dem Flügelrad und dem Gehäuse bzw. dem Leitrad ein geringerer Wärmeaustausch stattfindet.

Außerdem tritt während des Flügelradbetriebs das Phänomen der Wärmeerzeugung infolge von Wirbelstromverlusten im Motor auf, neben dem weiteren Phänomen der Wärmeerzeugung als Folge von Wirbel­ stromverlusten in dem Magnetkreis, der die Magnetlager, über die das Flügelrad getragen wird, dynamisch ansteuert.

Andererseits befindet sich das Flügelrad im Betrieb in einem idealen adiabatischen Zustand, in dem keinerlei Wärmeleitung und kei­ nerlei Konvektion vorliegen und die Wärmeabstrahlung infolge des Werkstoffs, nämlich einer Aluminiumiegierung mit sehr geringem Emis­ sionsvermögen, sehr gering ist; außerdem ist das Flügelrad in den La­ gerbereichen berührungsfrei. Deshalb steigt durch Wärmeerzeugung am Flügelrad, wo die Betriebstemperatur auf einem Wert zwischen 50 und 70°C gehalten werden sollte, sehr stark an, so daß sich wegen der Gasabgabe aus dem Flügelrad extrem hohe Unterdruckbedingungen nicht realisieren lassen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Turbomole­ kularpumpe zu schaffen, bei der die Ausheizleistung und die Kühlung des Flügelrads durch verbesserte Wärmeübertragung verbessert wer­ den.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Turbomolekular­ pumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sowohl die Flügelradschaufeln als auch die Leitradschaufeln an den Stufen in der Nähe des Auslasses eine keramische Oberfläche aufweisen und an allen anderen Stufen eine Metalloberfläche haben.

Dabei sind beide Oberflächen der Flügelradschaufeln nahe dem Auslaß und der den Flügelradschaufeln gegenüberstehenden Leitrad­ schaufeln Keramikflächen mit hohem Emissionsvermögen.

Entsprechend einem erfindungsgemäßen Merkmal weist das Ge­ häuse an einem der keramischen Oberfläche der Leitradschaufeln ent­ sprechenden Bereich auf seiner Innenwandung eine keramische Ober­ fläche auf.

Des weiteren sind bei einer erfindungsgemaßen Turbomolekular­ pumpe die Leitradschaufeln über Zwischenringe montiert, welche fest auf der Innenwandung des Gehäuses eingesetzt sind, während die Zwischenringe in einem den Leitradschaufeln mit keramischer Oberflä­ che entsprechenden Bereich eine keramische Oberfläche aufweisen.

Darüberhinaus entspricht die Anzahl der Stufen der jeweils mit keramischer Oberfläche versehenen Flügelradschaufeln und der Leit­ radschaufeln jeweils rund 20 bis 50% der Gesamtzahl der Stufen, die für die jeweiligen Schaufeln vorgesehen sind.

Außerdem bestehen sowohl die Flügelradschaufeln als auch die Leitradschaufeln aus Metall und sind an den Stufen in der Nähe des Auslasses mit keramischem Werkstoff beschichtet.

Bei Einsatz der vorstehend umrissenen erfindungsgemäßen Tur­ bomolekularpumpe erfolgt der Wärmeaustausch zwischen den Flügel­ radschaufeln und den Leitradschaufeln an den Stufen in der Nähe des Auslasses durch Wärmeabstrahlung mit hohem Wirkungsgrad, da sowohl die Flügelradschaufeln als auch die Leitradschaufeln in den Stufen nahe des Auslasses keramische Oberflächen aufweisen. Aus diesem Grund verbessert sich der Wirkungsgrad der Wärmeleitung.

Während des Betriebs der erfindungsgemäßen Turbomolekular­ pumpe ist ein an den Pumpeneinlaß angeschlossener Unterdruckbehäl­ ter nicht nachteiligen Einflüssen wegen einer Druckabsenkung infolge der Gasabgabe ausgesetzt, da an den Stufen in der Nähe des Gehäu­ seeinlasses sowohl die Flügelradschaufeln als auch die Leitradschau­ feln Metalloberflächen haben, also nicht mit keramischem Werkstoff be­ schichtet sind, das zur Gasabgabe neigt.

Außerdem weisen die Zwischenringe an den Leitradschaufeln und an einer Innenwandung des Gehäuses in Entsprechung zu den Berei­ chen, in denen die Leitradschaufeln mit keramischem Werkstoff be­ schichtet sind, ebenfalls keramische Oberflächen auf, und infolgedes­ sen verbessert sich der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung auf das Flügelrad noch weiter, wenn die Ausheizung vor Einsatz der Turbomo­ lekularpumpe durchgeführt und während des Pumpbetriebs Wärme vom Flügelrad abgeführt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachstehen­ den Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Turbomole­ kularpumpe im Schnitt, und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 und 2, die jeweils ein bevorzugtes Ausführungs­ beispiel der Erfindung zeigen, weist eine erfindungsgemäße Turbomo­ lekularpumpe ein Gehäuse 1 mit einem Einlaß 2 in einem Endabschnitt und einen Auslaß 3 am anderen Endabschnitt auf, sowie ein über Ma­ gnetlager 6, 8 schwimmend im Gehäuse 1 gelagertes Flügelrad 4. Das Flügelrad 4 weist mehrstufig angeordnete Flügelradschaufeln 4a auf. Im Gehäuse 1 ist auch ein Leitrad 5 mit mehrstufigen Leitradschaufeln 5a vorgesehen. Die Leitradschaufeln 5a befinden sich unter Belassung einer sehr kleinen Lücke jeweils zwischen den Flügelradschaufeln 4a, wobei jede Leitradschaufel 5a über einen Zwischenring 1a auf einer Innenwandung des Gehäuses 1 befestigt ist. Für den Antrieb des Flü­ gelrads 4 ist ein Motor 10 mit Spulen 10a koaxial zum Flügelrad 4 im Gehäuse angeordnet, während das Flügelrad 4 entsprechend dem von einem Drehzahlfühler (Tachometer) 14 kommenden Erfassungssignal ge­ steuert angetrieben wird.

Außerdem weisen bei der erfindungsgemäßen Turbomolekular­ pumpe sowohl die Flügelradschaufeln 4a als auch die Leitradschaufeln 5a in einem entsprechenden Flügelradschaufelbereich 4′ und Leitrad­ schaufelbereich 5′ in der Nähe des Auslasses jeweils eine keramische Oberfläche 41 bzw. 51 auf. In allen anderen Bereiche der Flügelrad­ schaufeln 4a und der Leitradschaufeln bestehen deren Oberflächen vollstandig aus Metall.

Ganz allgemein sind das Flügelrad 4 und das Leitrad 5 aus ei­ ner Aluminiumlegierung hergestellt, während entsprechend einem er­ findungsgemäßen Merkmal insbesondere der Flügelradschaufelbereich 4′ und der Leitradschaufeibereich 5′, die ebenfalls aus einer Alumini­ umlegierung gefertigt sind, mit einem keramischen Material beschich­ tet, das aus der Gruppe SiO₂ und Al₂O₃ gewählt wird und ein hohes Emissionsvermögen im infraroten Wellenlängenbereich besitzt. Für die­ se keramische Beschichtung können auch Werkstoffgruppen mit Molyb­ dän oder Wolfram zur Verfügung stehen.

Die Flügelradschaufelbereiche 4′ und die Leitradschaufelbereiche 5′, die beide mit einer keramischen Oberfläche versehen sind, sollten zahlenmäßig auf einen Wert beschränkt werden, der etwa 20 bis 50% der Gesamtzahl der Stufen der Flügelradschaufeln 4a und der Leitrad­ schaufeln 5a in der Nähe des Auslasses 3 entspricht, um so nachteili­ ge Einflüsse auf die Unterdruckcharakteristik zu vermeiden, da im Vergleich zu den aus Aluminiumlegierung oder dergleichen bestehen­ den Metalloberflächen solche Keramikoberflächen 41, 51 eine hohe Gas­ abgabegeschwindigkeit aufweisen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 1 auf seiner Innenwandung, die dem Teil der Leitradschaufeln 5a entspricht, die mit einer keramischen Oberfläche 51 beschichtet sind, eine Keramik­ oberfläche 11 auf; ebenso weisen die Zwischenringe 1a, die in dem den mit einer keramischen Oberfläche versehenen Leitradschaufeln 5a ent­ sprechenden Bereich vorgesehen sind, ebenfalls eine keramische Ober­ flächenschicht 51 auf.

Bei einer modifizierten Ausführungsform kann mindestens eine der Flügelradschaufeln 4a und der Leitradschaufeln 5a aus kerami­ schem Werkstoff bestehen und anschließend in dem Bereich nahe dem Einlaß mit einer Metalloberfläche überzogen sein, da diese metallische Fläche nur in geringem Umfang Gas abgibt.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 7 ein Fühler für die ra­ diale Richtung des Magnetlagers 6 angegeben, während das Bezugszei­ chen 9 einen Sensor für die axiale Richtung des Magnetlagers 8 be­ zeichnet. Die beiden Bezugszeichen 12 und 13 geben ein wartungsfrei­ es Lager an, das zum Schutz angeordnet ist.

Bei einer Turbomolekularpumpe mit dem vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Aufbau werden die folgenden Arbeitsgänge ausge­ führt, während die nachstehend erläuterten bevorzugten Wirkungen erzielt werden.

Wird vor dem Einsatz dieser Turbomolekularpumpe eine Ausheiz­ behandlung vorgenommen, so wird das Gehäuse 1 von der Außenseite her mit Hilfe einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) Heizvorrich­ tung auf eine Temperatur von etwa 120-150°C erwärmt. Anschlie­ ßend werden das Leitrad 5 und die Zwischenringe 1a im Gehäuse durch Wärmeleitung und Wärmeabstrahlung nahezu auf dieselbe Tem­ peratur wie das Gehäuse 1 erwärmt. Gleichzeitig läßt sich die Wärme­ übertragung durch Abstrahlung mit guter Leistung vom Gehäuse 1 über die Zwischenringe 1a auf die Leitradschaufeln 5a vornehmen, da das Gehäuse 1, die Zwischenringe 1a und die Leitradschaufeln 5a je­ weils eine keramische Oberfläche (11, 11a, 51) aufweisen.

Anschließend wird das Flügelrad 4 durch Wärmeabstrahlung vom Leitrad 5 erwärmt. An den Schaufelradstufenbereichen 4′ und 5′, die jeweils auf den Schaufelblättern 4a und 5a eine keramische Oberfläche 41 bzw. 51 aufweisen, liegt ein hohes Emissionsvermögen der kerami­ schen Oberfläche vor - beispielsweise wird bei einer Keramikbehand­ lung mit SiO₂ ein Wert von 0,96 erreicht - so daß der Wärmeaustausch in ausreichendem Maß und mit der gewünschten Temperatur erfolgt, damit eine Ausheizung herbeigeführt werden kann. Insbesondere steigt der Wirkungsgrad bei der Ausheizung im Flügelrad 4 an, wäh­ rend die Gasabgabe absinkt, weshalb sich ultrahohe Unterdruckbedin­ gungen erzielen lassen.

Wird unter Ultrahochvakuumbedingungen gearbeitet, wird im Mo­ tor 10 infolge von Wirbelstromverlusten Wärme erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Flügelrad 4 unter der dynamischen An­ steuerung auf einer Achse oder auf drei oder fünf Achsen durch den Magnetkreis im schwimmenden Zustand. Durch diese Magnetsteuerung liegt auch im Magnetkreis am Flügelrad 4 ein Wirbelstromverlust vor, auch wenn dieser nur sehr gering ist, der zur Wärmeerzeugung führt. Auf diese Weise kam es bisher während des Betriebs zur Herbeifüh­ rung von Unterdruckbedingungen zu einem Temperaturanstieg am Flü­ gelrad 4.

Im Gegensatz hierzu ist es erfindungsgemäß möglich, die Tempe­ ratur des Flügelrads 4 im Betrieb zu senken, da durch Wärmeübertra­ gung infolge einer Wärmeabstrahlung zwischen der Flügelradschaufel 4a und der Leitradschaufel 5a, die jeweils eine keramische Oberfläche 41 bzw. 51 aufweisen, eine Wärmeabstrahlung vorliegt. Und da auch das Gehäuse 1 und die Zwischenringe 1a jeweils eine keramische Ober­ fläche 11 bzw. 11a aufweisen, läßt sich die Wärmeübertragung durch Abstrahlung von den Flügelradschaufeln 4a über die Leitradschaufeln 4a, die Zwischenringe 1a und das Gehäuse 1 nach außen realisieren. Infolgedessen wird eine Gasabgabe vom Flügelrad 4 in dem Bereich, in dem extrem hohe Unterdruckbedingungen vorliegen, verhindert, wäh­ rend der erreichte Druck abgesenkt wird.

Auch wenn in der Nähe des Auslasses 3 das Flügelrad 4 und das Leitrad 5 nur teilweise mit einer keramischen Beschichtung verse­ hen sind, kann außerdem das gesamte Flügelrad 4 nahezu gleichmäßig durch Wärmeleitung erwärmt bzw. gekühlt werden, da das Flügelrad einteilig aus einer Aluminiumlegierung oder dergleichen besteht.

Andererseits weisen in dem Bereich nahe des Einlasses 2 des Gehäuses 1 während des Betriebs der erfindungsgemäßen Turbomoleku­ larpumpe die Flügelradschaufeln 4a, die Leitradschaufeln 5a, die Zwi­ schenringe 1a und die Innenwandung des Gehäuses 1 jeweils eine Me­ talloberfläche auf, also keine keramische Oberfläche, die leicht Gas ab­ gibt. Infolgedessen ist die an den Einlaß 2 angeschlossene Unter­ druckkammer nicht dem nachteiligen Einfluß infolge der Druckabsen­ kung durch Gasabgabe ausgesetzt.

Damit ist es möglich, eine Turbomolekularpumpe für extrem ho­ hen Unterdruck im Größenbereich von 10^-12 Torr zu schaffen, indem die Ausheizleistung des Flügelrads 4 verbessert und die Gasabgabe während des Betriebs vermindert werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Flügelrad im Betrieb schwimmend mit Hilfe von Magnetlagern gehalten. Doch kann die Erfindung auch an den Fall angepaßt werden, daß das Flügelrad nur über Kugellager oder Fluidlager drehbar gelagert ist.

Wie vorstehend bereits im einzelnen erwähnt, werden mit der er­ findungsgemäßen Turbomolekularpumpe die folgenden Wirkungen bzw. Vorteils erzielt.

(1) Beim Ausheizen kann die Flügelradtemperatur durch Wärme­ austausch infolge von Abstrahlung zwischen den Flügelradschaufeln und den Leitradschaufeln, die jeweils zum Teils eine keramische Ober­ fläche aufweisen, so erhöht werden, daß sich dadurch die Ausheizlei­ stung verbessert.

(2) Da die Zwischenringe des Leitrads und die Innenwandung des Gehäuses ebenso jeweils zum Teil keramische Oberflächen aufwei­ sen, die dem Bereich der keramischen Oberflächen auf den Leitrad­ schaufeln entsprechen, läßt sich die Ausheizleistung noch weiter ver­ bessern.

(3) Durch Absenkung der Flügelradtemperatur während des Be­ triebs bei extrem hohen Unterdruckbedingungen infolge einer Kühlung durch Abstrahlung zwischen den Flügelradschaufeln und den Leitrad­ schaufeln, die jeweils teilweise keramische Oberflächen aufweisen, läßt sich die Gasabgabe vom Flügelrad verringern. Darüberhinaus sind die Zwischenringe und die Innenwandung des Gehäuses ebenso ausgebil­ det, daß sie zum Teil keramische Oberflächen aufweisen, weshalb die Wärme vom Flügelrad mit höherem Wirkungsgrad abgeführt werden kann.

Da die Flügelradschaufeln und die Leitradschaufeln, die jeweils keramische Oberflächen aufweisen, nur in den Schaufelstufenbereichen in der Nähe des Auslasses vorgesehen sind, an dem das Gehäuse und die Zwischenringe in ähnlicher Weise ebenso mit keramischer Oberflä­ che ausgeführt sind, wirkt sich die Gasabgabe von der Keramikober­ fläche nicht störend auf die Erzielung eines extrem hohen Unter­ drucks aus.

Auch wenn die Erfindung in Verbindung mit einem bevorzugten speziellen Ausführungsbeispiel erläutert wurde, versteht es sich doch von selbst, daß diese Beschreibung kein illustrativen Zwecken dient und dadurch der Umfang der Erfindung nicht eingeschränkt wird, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen umrissen wird.

Claims (5)

1. Turbomolekularpumpe, welche folgendes aufweist:
ein Gehäuse (1) mit einem Einlaß (2) im Endbereich und einem Auslaß (3) am anderen Endbereich,
ein Flügelrad (4) mit mehrstufigen Flügelradschaufeln (4a), wel­ ches drehbar im Gehäuse gelagert ist,
ein Leitrad (5) mit Leitradschaufeln (5a), die mehrstufig zwi­ schen die Flügelradschaufeln (4a) unter Belassung sehr kleiner Lüc­ ken eingesetzt sind, welches auf einer Innenwandung des Gehäuses (1) befestigt ist, und
einen koaxial zum Flügelrad (4) angeordneten Motor (10) für den Drehantrieb des Flügelrads (4),
dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Flügelradschau­ feln (4a) als auch die Leitradschaufeln (5a) an den Stufen in der Nähe des Auslasses (3) eine keramische Oberfläche aufweisen und an allen anderen Stufen eine Metalloberfläche haben.

2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) an einem der keramischen Oberfläche der Leitradschaufeln (5a) entsprechenden Bereich auf seiner Innenwandung eine keramische Oberfläche aufweist.

3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitradschaufeln (5a) über Zwischenringe (1a) montiert sind, welche fest auf der Innenwan­ dung des Gehäuses (1) eingesetzt sind, und daß die Zwischenringe (1a) in einem den Leitradschaufeln (5a) mit keramischer Oberfläche entsprechenden Bereich eine keramische Oberfläche aufweisen.

4. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Stufen der jeweils mit keramischer Oberfläche versehenen Flügelradschaufeln (4a) und der Leitradschaufeln (5a) jeweils rund 20 bis 50% der Gesamtzahl der Stufen entspricht, die für die jeweiligen Schaufeln vorgesehen sind.

5. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Flügelradschau­ feln (4a) als auch die Leitradschaufeln (5a) aus Metall bestehen und an den Stufen in der Nähe des Auslasses (3) mit keramischem Werk­ stoff beschichtet sind.