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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Vakuumpumpe.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einem besonders hohen
Kompressionsverhältnis,
die in der Lage ist, auf Atmosphärendruck
auszupumpen.
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Turbomolekularpumpen
sind bekannt, die Pumpstufen mit ebenen oder Flügelrotoren umfassen, siehe
beispielsweise
EP-B-445 855 im Namen desselben
Anmelders.
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Herkömmliche
Turbomolekularpumpen weisen ziemlich begrenzte Betriebsbereiche
auf, das heißt,
sie können
keine Druckdifferenz zwischen dem Einlass- und dem Auslasskanal
erreichen, um einen Auslass auf Atmosphärendruck zu ermöglichen. Selbst
wenn beträchtliche
Fortschritte in den letzten Jahren gemacht wurden, die zur Entwicklung
von Turbomolekularpumpen führten,
die den Auslass bei immer höheren
Drücken
ermöglichen,
ist die Bereitstellung einer sogenannten Vorpumpe, die mit der Turbomolekularpumpe
gekoppelt ist, derzeit noch erforderlich.
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Vorpumpen
sind außerhalb
der Turbomolekularpumpe gekoppelt und daher erfordern sie eine Verbindung
mit dieser über
Gasdurchflusskanäle
und eine elektrische Versorgung durch dieselbe Steuereinheit wie
jene, die die Turbomolekularpumpe versorgt. All dies macht das Pumpsystem
komplex und abhängiger
von Ausfällen.
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Ein
Vakuumerzeugungssystem mit einer Molekularpumpe, die mit einer Vorpumpe
gekoppelt ist, ist in
EP-A 256 234 offenbart. Gemäß diesem
Dokument ist der Austrittskanal einer Molekularrotationspumpe mit
einer Vielzahl von durch die Kopplung eines Rotors und eines Stators
festgelegten Pumpstufen direkt mit einem Saugkanal einer Schneckenpumpe
verbunden. Der Auslasskanal der Schneckenpumpe führt auf Atmosphärendruck
ab.
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Die
strukturelle Komplexität
eines solchen Systems ist unmittelbar ersichtlich. Tatsächlich benötigt das
System zwei separate Elektromotoren, da sich die Pumpen mit sehr
unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen sollen. Selbst wenn die
Vorpumpe mit einer Dichtungsanordnung ausgestattet ist, die angeordnet
ist, um zu verhindern, dass Schmiermittel in die Pumpkammer und
daher die Molekularpumpe gelangt, ist überdies immer eine Verschmutzung
möglich,
beispielsweise im Fall von Ausfällen
oder schlechter Wartung.
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Ejektor-
oder Venturipumpen sind auch bekannt, die durch ein erstes Hochdruckfluid
betätigt werden
und ein zweites Niederdruckfluid ansaugen, wodurch ein Zwischendruckpegel
am Auslass erzeugt wird. Sowohl das erste als auch das zweite Fluid
können
willkürlich
entweder eine Flüssigkeit
oder ein Gas sein: durch Speisen der Pumpe mit Druckwasser ist es
beispielsweise möglich,
ein Gas wie z. B. Luft anzusaugen, wodurch ein niedriger Druck in einem
geschlossenen Raum erzeugt wird und eine Vorvakuumbedingung erzeugt
wird.
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Ejektor-
oder Venturipumpen einer zum Ansaugen eines Gases geeigneten Art
können
im Allgemeinen ausgehend von Drücken
von etwa 30 Millibar arbeiten.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Turbomolekularpumpe bereitzustellen,
die in der Lage ist, auf Atmosphärendruck
abzuführen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Turbomolekular-Vakuumpumpe gelöst, die
ausgehend von der Einlassöffnung
einen ersten Pumpabschnitt mit Pumpstufen mit Flügelrotorscheiben, einen zweiten Pumpabschnitt
mit Pumpstufen mit glatten Rotorscheiben, einen dritten Pumpabschnitt
mit mindestens einer Pumpstufe mit einer Zahnrotorscheibe und einen
vierten Ejektor- oder Venturipumpabschnitt umfasst.
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Gemäß der Erfindung
sind vorteilhafterweise optimierte progressive Pumpstufen in der
Turbomolekularpumpe vorgesehen, die in der Lage sind, den Austrittsdruck
der Turbomolekularpumpe auf einen Pegel zu bringen, der für den Betrieb
einer Ejektor- oder Venturipumpe geeignet ist, typischerweise 30 mbar.
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Gemäß der Erfindung
ist die Turbomolekularpumpe in der Lage, bereits in der dritten
Stufe auf einem Druck von etwa 100 mbar abzuführen.
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Überdies
kann überraschenderweise
unter Verwendung einer gemäß der Erfindung
hergestellten Vakuumpumpe, insbesondere mit einer dritten Pumpstufe
mit einer Rotorscheibe mit geraden Zähnen, eine Energieeinsparung
erzielt werden. Beim Austrittsdruck von 30 mbar wurde tatsächlich erfahren,
dass die Pumpe mit einer Pumpstufe mit einem Zahnrotor eine geringere
Aufnahme an elektrischem Strom aufweist als eine Pumpe, die nicht
mit einer Stufe mit einer Zahnrotorscheibe ausgestattet ist.
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Die
obigen und weitere Aufgaben werden durch die gemäß der Erfindung hergestellte
Vakuumpumpe, wie in den beigefügten
Ansprüchen
beansprucht, gelöst.
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Vorteilhafterweise
kann die erfindungsgemäße Vakuumpumpe
in allen Anwendungen verwendet werden, in denen eine Hochvakuumbedingung
in besonders reinen Umgebungen erforderlich ist, wie beispielsweise
bei Halbleiterbearbeitungsprozessen.
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Die
obigen und weitere Aufgaben der Erfindung werden aus der Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf die zugehörigen
Zeichnungen besser ersichtlich, in welchen gilt:
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1a ist eine schematische
Ansicht einer Turbomolekular-Vakuumpumpe, die gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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1b ist eine schematische
Ansicht einer Turbomolekular-Vakuumpumpe, die gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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2 ist eine Querschnittsansicht
eines Pumprotors einer Turbomolekular-Vakuumpumpe, die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist;
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3 ist eine Draufsicht auf
eine spezielle Pumpstufe einer Turbomolekular-Vakuumpumpe, die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist; und
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4 ist eine Seitenansicht
eines Ejektor- oder Venturipumpabschnitts einer gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Vakuumpumpe.
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Mit
Bezug auf 1a umfasst
eine Vakuumpumpe 5 gemäß einem
ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel
vier verschiedene Pumpabschnitte 1, 2, 3 und 4,
die zwischen einem Saugkanal 6 und einem Austrittskanal 16 angeordnet
sind. Die ersten drei Abschnitte sind Teil einer Turbomolekularpumpe mit
einem Rotor 20, der in 2 im
einzelnen dargestellt ist und mit einer Vielzahl von Pumpstufen
ausgestattet ist, die durch Rotorscheiben 22a–22h, 24a–24f und 26 festgelegt
sind, die mit Statorringen gekoppelt sind, die in 2 nicht dargestellt sind.
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2 zeigt in einer Querschnittsansicht
die Struktur des Rotors 20 des Turbomolekular-Pumpabschnitts.
Die erste Pumpgruppe 1 mit acht Rotorscheiben 22a–22h mit
schrägen
Flügeln
ist auf der Pumpenseite nahe dem Saugkanal 6 vorgesehen. Die
Flügelneigung
nimmt fortschreitend von der ersten Rotorscheibe 22a zu
letzten Rotorscheibe 22h zu. Die Flügel der ersten Rotorscheibe 22a sind
tatsächlich
um etwa 45° relativ
zur Drehachse des Rotors geneigt, wohingegen die Flügel der
letzten Rotorscheibe 22h fast horizontal sind.
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Eine
zweite Pumpgruppe 2, die auf die erste Pumpgruppe axial
ausgerichtet ist und sechs glatte Rotorscheiben 24a–24f umfasst,
befindet sich unterhalb der ersten Pumpstufe. Die ersten zwei glatten Rotorscheiben 24a und 24b weisen
denselben Durchmesser auf wie die vorangehenden Flügelrotorscheiben,
wohingegen die letzten vier glatten Rotorscheiben 24c–24f einen
kleineren Durchmesser aufweisen.
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Eine
dritte Pumpgruppe 3 umfasst eine Rotorscheibe 26 mit
geraden Zähnen
und ist mit einem Statorring 30 gekoppelt. Der Rotor 20 umfasst
ferner eine Drehwelle 28, die mit den Rotorscheiben einteilig
ist und durch einen geeigneten Elektromotor angetrieben wird.
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Die
dritte Pumpgruppe 3 ist in 3 im
einzelnen dargestellt. Die Rotorscheibe 26, die mit einer Vielzahl
von geraden Zähnen 34 ausgestattet
ist, ist vom Statorring 30 beabstandet, um zwischen der Seitenfläche der
Rotorscheibe 26 und der inneren Umfangsfläche des
Statorrings 30 einen freien und verjüngten ringförmigen Kanal 36 auszubilden.
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Der
verjüngte
Kanal 36 weist eine Saugöffnung und eine Auslaßöffnung auf,
die sich an entgegengesetzten Enden des Kanals 36 befinden
und einen Gassaugbereich 32 bzw. einen Gasauslassbereich 38 festlegen.
Eine verjüngte
Nut im Statorring 30 bildet den Kanal 36, der
vom Saugbereich 32 in Richtung des Auslassbereichs 38 linear
verjüngt
ist. Die Quergröße des Kanals 36 nimmt
von der Saugöffnung
in Richtung der Auslaßöffnung in
der Richtung gegen den Uhrzeigersinn, in der Umfangsrichtung um
die Rotorscheibe 26 fortschreitend ab.
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Dank
dem Rotor 26 mit geraden Zähnen und dem verjüngten Kanal 36 ist
bereits der dritte Pumpabschnitt in der Lage, bei einem Druck von etwa
100 mbar abzuführen.
Selbst wenn ein solcher Druck sehr hoch ist, ermöglicht er jedoch noch nicht eine
direkte Verbindung mit der Außenumgebung
(d. h. der Umgebung auf Atmosphärendruck).
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Der
Auslassbereich 38 des dritten Pumpabschnitts ist somit über einen
Zwischenkanal 8, der in der schematischen Gesamtansicht
der Vakuumpumpe 5, die in 1a gezeigt
ist, sichtbar ist, mit einem vierten Ejektor- oder Venturipumpabschnitt 4 verbunden.
Der vierte Pumpabschnitt wird über
einen Kanal 14 durch einen Kühlwasserkreislauf 12 der
vorangehenden Turbomolekular-Pumpabschnitte gespeist. Das Druckkühlwasser
tritt tatsächlich über einen
Einlasskanal 10 in die Pumpe 5 ein, strömt in den
Kühlkreislauf 12 der
Turbomolekularabschnitte 1, 2 und 3 und
tritt über
einen Kanal 14 in den vierten Ejektorpumpabschnitt ein,
der in 4 im einzelnen
dargestellt ist.
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Alternativ
könnte
der vierte Pumpabschnitt über
einen geeigneten hydraulischen Kreislauf gespeist werden, wie in
dem in 1b gezeigten
beispielhaften Ausführungsbeispiel,
bei dem der Kühlkreislauf
der Stufen 1, 2 und 3 der Turbomolekularpumpe
nicht vorgesehen ist, oder wenn der Kühlkreislaufdruck nicht ausreicht,
um die Ejektorpumpe 4 zu betätigen.
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1b zeigt tatsächlich eine
Vakuumpumpe, in der der Ejektor- oder Venturipumpabschnitt 4 durch
einen unabhängigen
externen hydraulischen Kreislauf gespeist wird.
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Der
Ejektorpumpabschnitt 4, der in 4 im einzelnen dargestellt ist, umfasst
einen Einlass 14 für Druckwasser,
einen Saugkanal 8, der mit dem Auslass des dritten Pumpabschnitts 3 verbunden
ist, und einen Austrittskanal 16, aus dem Antriebswasser
und angesaugte Gase in Anmischung auf Atmosphärendruck abgeführt werden.
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Der
Wasserdurchgang in der Ejektor- oder Venturipumpe erzeugt tatsächlich ein
Vakuum im Saugkanal 8, das ermöglicht, dass die Pumpe auf
Atmosphärendruck
auspumpt.
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Der
vierte Pumpabschnitt 4, der weder bewegliche Teile noch
elektrisch gespeiste Teile aufweist, weist eine Anzahl von Vorteilen
auf. Er unterliegt nicht leicht Ausfällen, er erfordert keine spezielle Wartung
und Schmierung und verbraucht keine elektrische Leistung, wobei
er das Druckwasser nutzt, das vom Kühlkreislauf der Turbomolekularabschnitte kommt.
Dank seiner strukturellen Einfachheit trägt er überdies kaum zu den Gesamtkosten
der Vakuumpumpe bei.
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Das
Fehlen von geschmierten Teilen in diesem letzteren Abschnitt 4 verringert überdies
die Möglichkeit
der Verunreinigung der Umgebung, in der ein Vakuum erzeugt wird.
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Das
Betriebsprinzip und die innere Struktur einer Ejektor- oder Venturipumpe
mit Einlass- und Auslasskanälen
mit konvergenten bzw. divergenten Querschnitten sind Durchschnittsfachleuten
bekannt. Diese Pumpen sind tatsächlich
in verschiedenen Modellen und Größen in den
Katalogen in Abhängigkeit von
den Merkmalen und der erforderlichen Verwendung enthalten.
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Der
verringerte Leistungsverbrauch der Pumpe, der durch die Verwendung
einer Ejektorpumpe als viertem Pumpabschnitt erhalten wird, wird überdies
durch die Anwesenheit der dritten Pumpstufe mit einer Rotorscheibe
mit geraden Zähnen
begünstigt.
Beim Austrittsdruck von 30 mbar wurde tatsächlich festgestellt, dass die
Pumpe mit einer Zahnpumpstufe eine niedrigere Aufnahme an elektrischem
Strom aufweist als eine Pumpe, die nicht mit einer Stufe mit einer
Zahnrotorscheibe ausgestattet ist.