DE60313493T2

DE60313493T2 - Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE60313493T2
Application number: DE60313493T
Authority: DE
Inventors: Nigel Paul Schofield
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: Edwards Ltd
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: DE60313493D1; EP1573204A1; TW200419074A; JP4667043B2; ATE360756T1; GB0229355D0; US8727751B2; EP1573204B1; TWI335959B; US20060140795A1; JP2006509951A; WO2004055375A1; AU2003295099A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumpumpenanordnung, bestehend aus einem Turbomolekularpumpenmechanismus und einem Molekularpumpenmechanismus, die in Reihe geschaltet sind.
Eine bekannte Vakuumpumpenanordnung umfasst einen Turbomolekularpumpenmechanismus, der in Reihe mit einem Molekularpumpenmechanismus geschaltet ist, wobei der letztere von irgendeiner geeigneten Bauart sein kann, wie beispielsweise ein Holweck- oder ein Gaede-Pumpenmechanismus. Eine Vorpumpe wird im allgemeinen vorgesehen, um den Druck am Auslaß der Anordnung abzusenken, und kann von irgendeiner geeigneten Bauart sein, wie beispielsweise eine regenerative Pumpe oder eine Klauenpumpe.
Der Turbomolekularpumpenmechanismus umfasst eine oder mehrere umfangsmäßige Anordnungen abgewinkelter Blätter, die von einem etwa zylindrischen Rotorkörper getragen werden. Während des normalen Betriebs wird der mit einer Antriebswelle gekuppelte Rotor mit zwischen 20.000 und 200.000 Umdrehungen pro Minute gedreht, wobei die Rotorblätter mit Molekülen in einem Gas kollidieren, was diese gegen den Pumpenauslaß drängt. Der Molekularpumpenmechanismus umfasst einen Rotor, der einen Hohlzylinder in einem Pumpenmechanismus der Holweck-Bauart umfassen kann, der mit der Antriebswelle für gleichzeitige Drehung mit dem Turbomolekularpumpenmechanismus gekuppelt ist. Die Drehung des Molekularpumpenmechanismus teilt den Gasmolekülen, die vom Auslaß des Turbomolekularpumpenmechanismus darin eintreten, eine Geschwindigkeit tangential zum Umfang des Zylinders und entlang spiraliger Kanäle mit, die zwischen einem Stator und dem Zylinder zum Pumpenauslaß hin gebildet sind.
Der Zylinder eines Holweck-Pumpenmechanismus verläuft etwa axial mit einem Umfang um die Achse der Antriebswelle und wird durch eine radial von der Antriebswelle zwischen dem Turbomolekularpumpenmechanismus und dem Zylinder wegragenden, mit einer Öffnung versehenen Platte getragen. Daher gelangt im Betrieb Gas vom Auslaß des Turbomolekularpumpenmechanismus durch die mit der Öffnung versehenen Platte hindurch und den Molekularpumpenmechanismus.
Die US-6 168 374 beschreibt eine Reibungsvakuumpumpe mit einer Turbomelukularpumpenstufe, die von einer Schraubenpumpenstufe gefolgt wird.
Es ist wünschenswert, eine verbesserte Vakuumpumpenanordnung zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Pumpenanordnung, die einen Turbomolekularpumpenmechanismus und einen Molekularpumpenmechanismus in Reihenschaltung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor des Molekularpumpenmechanismus durch die Rotorblätter des Turbomolekularpumpenmechanismus getragen wird.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den anliegenden Ansprüchen definiert.
Damit die vorliegende Erfindung gut verständlich ist, werden zwei Ausführungsformen hiervon, die nur beispielshalber angegeben sind, nunmehr mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Schnittdarstellung einer Vakuumpumpenanordnung zeigt, die schematisch dargestellt ist,
2 eine perspektivische Ansicht von oben und einer Seite eines Rotors eines Turbomolekularpumpenmechanismus zeigt,
3 eine perspektivische Ansicht von unten und einer Seite des Rotors in 2 zeigt,
4 einen Aufriß des Rotors in 2 zeigt,
5 eine Draufsicht des Rotors in 2 zeigt, und
6 eine Schnittdarstellung einer weiteren Pumpenanordnung zeigt, die schematisch dargestellt ist.
Gemäß 1 ist eine Vakuumpumpenanordnung 10 gezeigt, die einen Molekularpumpenmechanismus 12 und einen Vorpumpenmechanismus 14 umfaßt. Der Molekularpum penmechanismus 12 besteht aus einem Turbomolekularpumpenmechanismus 16 und einem Molekular- oder Reibungspumpenmechanismus 18, die in Reihe angeordnet sind. Der Vorpumpenmechanismus 14 umfaßt einen regenerativen Pumpenmechanismus der, wie dargestellt, auf derselben Antriebswelle angeordnet ist und angetrieben wird wie der Molekularpumpenmechanismus. Alternativ kann eine Vorpumpe als seperate Einheit getrennt vom Molekularpumpenmechanismus vorgesehen sein. Ein weiterer Molekularpumpenmechanismus 20 kann zwischen dem Molekularpumpenmechanismus 18 und dem regenerativen Pumpenmechanismus 14 vorgesehen sein. Der Molekularpumpenmechanismus 20 umfaßt drei Molekularpumpenstufen in Reihe, während der Molekularpumpenmechanismus 18 zwei Molekularpumpenstufen parallel zueinander umfasst.
Die Vakuumpumpenanordnung 10 weist ein Gehäuse mit drei separaten Teilen 22, 24, 26 auf. Die Teile 22 und 24 können die Innenwandflächen des Molekularpumpenmechanismus 12 und des Molekularpumpenmechanismus 20 bilden, wie dargestellt. Das Teil 26 kann den Stator des regenerativen Pumpenmechanismus 14 bilden.
Das Teil 26 bildet eine angesenkte Aussparung 28, die ein geschmiertes Lager 30 zum Abstützen einer Antriebswelle 32 aufnimmt. Das Lager 30 kann beispielsweise mit Fett geschmiert werden, da es in einem Teil der Pumpenanordnung 10 ist, der vom Einlaß der Pumpenanordnung entfernt ist. Der Einlaß der Pumpenanordnung kann in Strömungsverbindung mit einer Halbleiterverarbeitungskammer stehen, in welcher eine saubere bzw. ölfreie Umgebung verlangt wird.
Die Antriebswelle 32 wird von einem Motor 34 angetrieben, der, wie dargestellt, von den Teilen 22 und 24 des Gehäuses abgestütz wird. Der Motor kann in irgendeiner zweckmäßigen Position in der Vakuumpumpenanordnung abgestützt sein. Der Motor 34 ist dafür ausgelegt, den regenerativen Pumpenmechanismus 14, den Molekularpumpenmechanismus 20 und dem Molekularpumpenmechanismus 12 anzutreiben. Im allgemeinen erfordert ein regenerativer Pumpenmechanismus mehr Betriebsleistung als ein Molekularpumpenmechanismus, da der regenerative Pumpenmechanismus bei Drücken nahe Atmosphärendruck betrieben wird, wo Wind- und Luftwiderstand relativ hoch sind. Ein Turbomolekularpumpenmechanismus oder Molekularpumpenmechanismus braucht relativ weniger Betriebsleistung, und daher ist ein zum Betreiben einer regenerativen Pumpe gewählter Motor im allgemeinen auch zum Antreiben eines Turbomolekularpumpenmechanismus oder Molekularpumpenmechanismus geeignet. Der regenerative Pumpenmechanismus umfasst einen Rotor, der relativ zur Antriebswelle 32 ist. Wie dargestellt, umfasst der regenerative Pumpenmechanismus 14 drei Pumpenstufen, und für jede Stufe verläuft eine umfangsmäßige Anordnung von Rotorblättern 38 im wesentlichen orthogonal von einer Fläche des Rotorkörpers 36. Die Rotorblätter 38 der Teilanordnungen laufen axial in jeweils umfangsmäßige Pumpenkanäle 40 hinein, die konzentrisch im Teil 26 angeordnet sind, das den Stator des regenerativen Pumpenmechanismus 14 bildet. Im Betrieb dreht die Antriebswelle 32 den Rotorkörper 36, was bewirkt, dass die Rotorblätter 38 durch die Pumpenkanäle hindurchlaufen und Gas vom Einlaß 42 der Reihe nach durch den radial äußeren Pumpenkanal, den radial mittleren Pumpenkanal und den radial inneren Pumpenkanal fördern, wo es aus dem Auslaß 44 bei Drücken nahe oder mit Atmosphärendruck ausgestoßen wird.
Zwei zylindrische Molekularpumpenzylinder 46, die zusammen die Rotoren des Molekularpumpenmechanismus 20 bilden, verlaufen orthogonal vom Rotorkörper 36. Die Molekularpumpenzylinder 46 sind aus Kohlefaserkompositmaterial hergestellt, das sowohl fest als auch leicht ist. Die Verringerung der Masse bei Verwendung von Kohlefaserkompositmaterial-Molekularpumpenzylindern erzeugt weniger Trägheit, wenn der Molekularpumpenmechanismus sich in Betrieb befindet. Dementsprechend lässt sich die Drehzahl des Molekularpumpenmechanismus leichter beherrschen.
Der schematisch dargestellte Molekularpumpenmechanismus 20 ist eine Holweck-Molekularpumpe, bei welcher Statorteile 48 einen spiraligen Kanal zwischen der Innenwandfläche des Gehäuseteils 24 und dem Pumpenzylinder 46 bilden. Es sind drei PUmpenstufen dargestellt, von denen jede einen spiraligen Pfad für Gas bildet, das zwischen dem Rotor und dem Stator strömt. Die Gasströmung folgt einem Pfad, der aufeinanderfolgend durch die Molekularpumpenstufe in Reihe verläuft.
Der Molekularpumpenmechanismus 12 wird an einem Ende der Antriebswelle 32 distal von dem regenerativen Pumpenmechanismus 14 angetrieben. Die Antriebswelle 32 kann gegebenenfalls durch Hilfslager abgestützt sein. Ein magnetisches Lager 54 ist zwischen dem Rotorkörper 52 und einem zylindrischen Teil 56 vorgesehen, der relativ zum Gehäuse 22 feststeht. Ein passives magnetisches Lager ist dargestellt, bei welchem gleiche Pole eines Magneten einander abstoßen, was einer Radialbewegung des Rotorkörpers 52 relativ zu der zentralen Achse A entgegenwirkt. Andere Arten geeigneter Lager können nach Bedarf eingesetzt werden. Eine umfangsmäßige Anordnung abgewinkelter Rotorblätter 58 verläuft radial auswärts vom Rotorkörper 52. Bei etwa der halben radialen Länge der Rotorblätter ist ein ringförmiger Stützring 60 vorgesehen, an welchem der Molekularpumpenzylinder bzw. Rotor 62 des Molekularpumpenmechanismus 18 befestigt ist, so dass die Rotorblätter des Turbomolekularpumpenmechanismus den Rotor des Molekularpumpenmechanismus tragen. Der Molekularpumpenmechanismus 18 weist zwei Stufen in Parallelschaltung mit einem einzigen Molekularpumpenzylinder 62 auf, wobei eine Stufe radial innerhalb desselben und eine Stufe radial außerhalb desselben angeordnet ist. Jede der Stufen umfasst Statorteile 64 mit sich verjüngenden inneren Wänden 66 des Gehäuses 22, die einen spiraligen Molekulargasströmungskanal bilden. Ein Auslaß 68 ist zum Ausstoßen von Gas aus dem Molekularpumpenmechanismus 18 vorgesehen.
Die Verwendung der Rotorblätter des Turbomolekularpumpenmechanismus 16 zum Tragen des Rotors des Molekularpumpenmechanismus 18 vermeidet die Notwendigkeit des Vorsehens einer separaten Tragplatte für den Rotor des Molekularpumpenmechanismus, wie sie bei dem oben beschriebenen Stand der Technik benutzt wird. Daher ist der Molekularpumpenmechanismus weniger kompliziert und kompakter als im Stand der Technik. Es versteht sich außerdem, dass die Tragplatte, obwohl eine mit Öffnungen versehene Tragplatte, in gewissem Maße die Gasströmung zwischen dem Turbomolekularpumpenmechanismus und dem Molekularpumpenmechanismus reduziert und daher als Behinderung der Effizienz wirkt. Bei der Anordnung nach 1 besteht keine solche Behinderung, wo Gas frei aus dem Turbomolekularpumpenmechanismus in den Molekularpumpenmechanismus strömen kann.
Die 2 bis 5 zeigen den Rotor des Turbomolekularpumpenmechanismus 16 mehr im einzelnen. Der Rotor umfasst den Rotorkörper 52, der eine Nabe zur Verbindung mit der Antriebswelle 32 (in diesen Figuren nicht dargestellt) bildet. Radial vom Rotorkörper 52 verläuft die Mehrzahl abgewinkelter Rotorblätter 58. Einstückig mit den Rotorblättern 58 ausgebildet ist der Ring 60, der an einem mittigen radialen Teil der Rotorblätter oder auf etwa ihrer halben Länge angeordnet ist. Der Rotor oder Zylinder des Molekularpumpenmechanismus ist an dem Ring mittels eines geeigneten Verfahrens befestigt, so dass die Rotorblätter den Rotor des Molekularpumpenmechanismus tragen können.
Während des normalen Betriebs ist der Einlaß 70 der Pumpenanordnung 10 mit einer Kammer verbunden, deren Druck abgesenkt werden soll. Der Motor 34 dreht die Antriebswelle 32, die wiederum den Rotorkörper 36 und den Rotorkörper 52 antreibt. Gas in molekularen Strömungsbedingungen wird durch den Einlaß 70 in den Turbomolekularpumpenmechanismus 16 eingesaugt, wo es durch die Rotorblätter 58 entlang der beiden parallelen Molekularpumpenstufen 18 und durch den Auslaß 68 gedrängt wird. Gas wird dann durch die drei in Reihe angeordneten Stufen des Molekularpumpenmechanismus 20 eingesaugt und durch den Einlaß 42 in den regenerativen Pumpenmechanismus. Gas wird auf atmosphärischem Druck oder ungefähr da durch die Auslassöffnung 44 ausgestoßen.
Es folgt nun eine Beschreibung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kürze halber wird die weitere Ausfürhungsform nur in Bezug auf diejenigen Teile erörtert, die verschieden von der ersten Ausführungsform sind, und für gleiche Teile werden gleiche Bezugszahlen verwendet.
6 zeigt eine Vakuumpumpenanordnung 100, bei welcher der Molekularpumpenmechanismus 12 einen Turbomolekularpumpenmechanismus 16 mit zwei in Reihe angeordneten Pumpenstufen hat. Zwei Anordnungen abgewinkelter Rotorblätter 58 verlaufen radial auswärts von der Nabe des Rotorkörpers 52, wobei eine Statorformation 72 zwischen den Anordnungen angeordnet ist. Die Rotorblätter der stromabwärtigen oder letzten Stufe des Turbomolekularpumpenmechanismus tragen den Rotor des Molekularpumpenmechanismus und sind mit dem Ring 60 versehen, an welchem der Rotor des Molekularpumpenmechanismus befestigt.
Bei einer Modifizierung der oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst der Molekularpumpenmechanismus 18 mehr als einen Molekularpumpenzylinder oder Rotor 62, der von den Rotorblättern 38 des Turbomolekularpumpenmechanismus 16 getragen wird. Die Turboblätter können daher mit radial beabstandeten Ringen versehen sein, an denen entsprechenden Molekularpumpenrotoren befestigt sind. Bei dieser Anordnung, wenn beispielsweise drei Molekularpumpenrotoren vorhanden sind, können bis zu sechs parallele Molekularpumpenstufen vorhanden sein, wobei zwei parallele Pumpenpfade radial einwärts und radial auswärts jedes Rotors verlaufen.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die 1 und 6 beschrieben worden sind, in welchen der Molekularpumpenmechanismus 12 durch eine gemeinsame Welle mit dem regenerativen Pumpenmechanismus 14 angetrieben wird und die zusammen eine Pumpeneinheit bilden, ist die vorliegende Erfindung nicht in dieser Weise beschränkt. Alternativ kann der Molekularpumpenmechanismus eine Pumpeneinheit bilden, die vom regenerativen Pumpenmechanismus getrennt ist, und die beide durch separate Motoren und separate Antriebswellen angetrieben werden.

Claims

Vakuumpumpenanordnung (10), die einen Turbomolekularpumpenmechanismus (16) und einen Molekularpumpenmechanismus (18) in Reihe umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (62) des Molekularpumpenmechanismus (18) durch die Rotorblätter (48) des Turbomolekularpumpenmechanismus (16) getragen wird.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Rotorblätter (58) mit einem Ring (60) mit Kreisquerschnitt versehen sind, an welchem die Rotor (62) des Molekularpumpenmechanismus (18) befestigt ist.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach Anspruch 2, wobei der Turbomolekularpumpenmechanismus (16) eine Mehrzahl von Stufen aufweist und die Rotorblätter (58) mindestens der letzten Stufe mit dem Ring (60) mit Kreisquerschnitt versehen sind.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (62) des Molekularpumpenmechanismus (18) etwa über die Hälfte der radialen Länge der Rotorblätter (58) des Turbomolekularpumpenmechanismus (16) getragen wird.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Molekularpumpenmechanismus (18) eine Mehrzahl von Rotoren (62) aufweist, die durch die Rotorblätter (58) des Turbomolekularpumpenmechanismus (16) getragen werden.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach Anspruch 5, wobei die Mehrzahl von Rotoren (62) an jeweiligen radial beabstandeten Ringen (60) mit Kreisquerschnitt befestigt sind, mit denen die Rotorblätter (58) des Turbomolekularpumpenmechanismus (16) ausgestattet sind.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder jeder Rotor (62) des Molekularpumpenmechanismus (18) zwei parallele Pumpen pfade zugeordnet hat, die einen Pumpenpfad radial einwärts des oder jedes Rotors (62) und einen Pumpenpfad radial auswärts des oder jedes Rotors (62) umfassen.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Molekularpumpenmechanismus (18) der Holweck-Bauart angehört.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter einen zweiten Molekularpumpenmechanismus (20) aufweist, dessen Rotor durch den Rotor (36) eines regenerativen Pumpenausstoßmechanismus getragen wird.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor des oder jedes Molekularpumpenmechanismus (18, 20) aus Kohlefaser-Kompositmaterial hergestellt ist.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorblätter (58) des Turbomolekularpumpenmechanismus (16) aus Aluminium hergestellt sind.
Vakuumpumpenanordnung (10) nach Anspruch 2, wobei der Ring (60) mit Kreisquerschnitt aus Aluminium hergestellt ist.