DE68901986T3

DE68901986T3 - Turbomolekularpumpe und deren Betriebsverfahren.

Info

Publication number: DE68901986T3
Application number: DE68901986T
Authority: DE
Inventors: Fumio Kuriyama; Yukio Murai; Katsuya Okumura; Hiroshi Sobukawa; Manabu Tsujimura
Original assignee: Ebara Corp; Toshiba Corp
Current assignee: Ebara Corp; Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-07
Filing date: 1989-03-06
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2009-03-07
Also published as: KR890014975A; EP0332107A1; DE68901986T2; EP0332107B2; US4926648A; KR0124416B1; EP0332107B1; DE68901986D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumpumpe, welche eine Turbomolekularpumpe ist, wobei eine Vielzahl von Rotor- und Statorblättern oder -schaufeln, die miteinander kombiniert sind, relativ zueinander gedreht werden bei einem niedrigen Druck, so daß jegliche Kollision zwischen Gasmolekülen vernachlässigbar ist, um einen Ausstoß eines Gases zu bewirken. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Betrieb einer Vakuumpumpe der oben beschriebenen Bauart.
Eine typische herkömmliche Turbomolekularpumpe wird zuerst beschrieben mit Bezug auf Fig. 1.
Eine herkömmliche Turbomolekularpumpe, die allgemein mit Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt einen Motor 2, eine Motorwelle 3 zum Übertragen der von dem Motor 2 abgeleiteten Drehkraft, einen Rotor 4, der an der Motorwelle 3 gesichert ist, eine Vielzahl von Rotorschaufeln 5, die an dem Rotor 4 befestigt sind, eine Vielzahl von Statorschaufeln 6, die jeweils zwischen einem Paar von benachbarten Rotorschaufeln 5 angeordnet sind, ein Abstandselement 7, an dem die Statorschaufeln 6 befestigt sind, ein Gehäuse 10, das mit einem Ansauganschluß 8 und einem Ausstoßanschluß 9 versehen ist, und ein Schutznetz 11 zum Schützen der Rotor- und Statorschaufeln 5 und 6. Beim Betrieb wird der Motor 2 angetrieben, um die Rotorblätter 5 mit hoher Geschwindigkeit in einer Hochvakuumatmosphäre zu drehen, die ausreicht, um sicherzustellen, daß Molekularfluß möglich ist, wodurch Gasmoleküle von dem Ansauganschluß 8 angesaugt werden, das Gas bei einem hohen Verdichtungsverhältnis komprimiert wird und das Gas zu dem Auslaßanschluß 9 bewegt wird, wodurch ein Hochvakuum erzeugt wird.
Die oben beschriebene herkömmliche Turbomolekularpumpe krankt jedoch an den folgenden Problemen. Die Gasausstoßleistung der Pumpe hängt von dem Molekulargewicht eines Gases ab, das von ihr behandelt wird. Wenn ein Gas mit einem geringen Molekulargewicht behandelt wird, vermindert sich die Gasausstoßleistung um ein beträchtliches Ausmaß. Je geringer das Druckverhältnis, umso geringer ist die Gasausstoßleistung. Das Schaufelgeschwindigkeitsverhältnis C, ein Parameter, der das Verdichtungsverhältnis repräsentiert, wird wie folgt ausgedrückt:
C = V/Vm,
(wobei V die Umfangsgeschwindigkeit der Rotorschaufeln ist und Vm die maximale Wahrscheinlichkeitsgeschwindigkeit der Gasmoleküle ist).
Die maximale Wahrscheinlichkeitsgeschwindigkeit Vm von Gasmolekülen wird wie folgt ausgedrückt:
Vm = 2KT/M
(wobei M das Molekulargewicht des Gases ist, K ist die Boltzmann-Konstante und T ist die absolute Temperatur des Gases)
Wie aus diesen Ausdrücken klar sein wird, ist, je geringer das Molekulargewicht M des Gases ist, die maximale Wahrscheinlichkeitsgeschwindigkeit Vm der Gasmoleküle um so größer und um so geringer ist das Schaufelgeschwindigkeitsverhältnis C. Daher ist die Gasausstoßleistung gering, wenn ein Gas mit einem geringen Molekulargewicht behandelt wird. Es ist wahrscheinlich, daß viele Probleme beim tatsächlichen Betrieb der Turbomolekularpumpe auftreten, wenn die Gasausstoßleistung gering ist.
Unter anderen Problemen, die mit Gasen mit geringen Molekulargewichten assoziiert werden, beeinflußt insbesondere das Vorhandensein von Wasserdampf die Gasausstoßleistung der Pumpe nachteilig. In einem System, in dem ein Teil des Systems, das mit einer Turbomolekularpumpe versehen ist, zur Atmosphäre hin offen ist, und bei dem Luft in das System strömt, ist der größere Teil des Restgases unter einem Vakuum von ungefähr 10&supmin;&sup4; Torr bis 10&supmin;¹&sup0; Torr (10&supmin;&sup4; mm Hg bis 10&supmin;¹&sup0; mm Hg), das durch die Molekularpumpe erzeugt wurde, Wasserdampf. Der restliche Wasserdampf hat nachteilige Auswirkungen auf den Grad des Vakuums und auf die Vakuumumgebung.
In dem Fall der Verwendung einer Cryo-Vakuumpumpe, die eine Heliumkühlvorrichtung und einen Wärmetauscher verwendet, was ultraniedrige Temperaturen von ungefähr 15ºK bis ungefähr 20ºK liefert, sind die Gasausstoßeigenschaften bezüglich Wasserdampf verbessert und es ist daher möglich, den oben beschriebenen Problemen in einem gewissen Ausmaß gewachsen zu sein. Jedoch bringt eine Cryo-Vakuumpumpe folgende Probleme mit sich:
(1) Da eine Kühlvorrichtung für ultraniedrige Temperaturen verwendet wird, dauert es eine lange Zeit, das System zu starten oder abzuschalten.
(2) Da die Pumpe eine von der Einfangbauart ist, d. h. sie friert die meisten Gasmoleküle ein und hält sie gefangen, muß sie für eine lange Zeitperiode regeneriert werden, jedes Mal wenn eine vorbestimmte Ladung durchgelaufen und beendet ist.
(3) Da die Sublimationstemperatur sich abhängig von der Art der Gasmoleküle ändert, werden verschiedene Arten von Gasmolekülen voneinander getrennt und aufeinanderfolgend von der Pumpe ausgestoßen mit hohen Konzentrationen, während die Temperatur des Wärmetauschers während eines Regenerationsbetriebs steigt, und es ist schwierig, verschiedene Arten von Gasen zu behandeln, die getrennt ausgestossen werden. Insbesondere in Halbleiterherstellungsverfahren werden giftige, höchst korrodierende, explosive und brennbare Gase, beispielsweise Monosilan (SiH&sub4;), Wasserstoffluorid (HF), etc. verwendet, die mit inerten Gasen, wie beispielsweise Stickstoff (N&sub2;), Helium (He) etc. verdünnt werden, und es ist daher extrem schwierig, diese verschiedenen Arten von Gasen zu handhaben, die getrennt ausgestoßen werden.
Man könnte es für möglich halten, die herkömmliche Turbomolekularpumpe und die Cryo-Vakuumpumpe zu kombinieren, um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden. Jedoch würden bei einer solchen Kombination die meisten Gasmoleküle außer Wasserstoff- und Heliummolekülen durch Einfrieren in der Cryo-Vakuumpumpe eingefangen werden und daher würde das Vorsehen der Turbomolekularpumpe bedeutungslos werden.
Im Hinblick auf die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Turbomolekularpumpe vorzusehen, deren Betrieb es ermöglicht, Gase mit geringen Molekulargewichten wirksam auszustoßen, insbesondere Wasserdampf, und deren Betrieb leicht zu starten und abzuschalten ist, und die fähig ist zum Betrieb auf einer durchlaufenden Basis.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu liefern zum Betrieb der oben beschriebenen Turbomolekularpumpe.
Zu diesem Zweck sieht die vorliegende Erfindung gemäß einem ihrer Aspekte eine Turbomolekularpumpe gemäß Anspruch 1 vor. Es ist günstig, entweder als eine Kühlvorrichtung eine solche zu verwenden, die zum Entfrosten in der Lage ist oder, falls die Kühlvorrichtung nicht zum Entfrosten fähig ist, ferner eine Heizvorrichtung am Ansauganschluß vorzusehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor zum Betrieb einer Turbomolekularpumpe, wie es in Anspruch 6 beansprucht ist.
Um einen Gasausstoßbetrieb durchzuführen, wird das auf der stromaufwärtigen Seite des Ansauganschlusses vorgesehene Torventil geöffnet und die Kühlvorrichtung wird in der Kühlbetriebsart betrieben, um ein Kühlmittel an den Wärmetauscher zu liefern, um diesen zu kühlen. Ferner werden die Rotorschaufeln gedreht, um ein Gas in die Pumpe zu saugen. Zu diesem Zeitpunkt wird Wasserdampf, der in dem Gas enthalten ist, selektiv durch Gefrieren durch den Wärmetauscher eingefangen. Infolgedessen wird die Gasausstoßleistung der Turbomolekularpumpe verbessert und es ist daher möglich, ein Hochvakuum von guter Qualität zu erzeugen. Ein Gas mit einem geringen Molekulargewicht, welches nicht durch Gefrieren eingefangen wird, beispielsweise Wasserstoff, Helium etc., wird auch durch den Wärmetauscher gekühlt und dies erniedrigt die Gastemperatur, was seinerseits zu einer Verminderung der Geschwindigkeit der Gasmoleküle führt. Entsprechend steigt das Schaufelgeschwindigkeitsverhältnis C und die Gasausstoßleistung der Turbomolekularpumpe wird verbessert. Somit ist es möglich, die Probleme, die mit herkömmlichen Turbomolekularpumpen assoziiert werden, zu eliminieren, d. h. die niedrigere Leistung, die beim Ausstoß von Gasen mit geringen Molekulargewichten, insbesondere Wasserdampf, gezeigt wird.
Nachdem der Gasausstoßbetrieb für eine vorbestimmte Zeitperiode durchgeführt worden ist, ist es notwendig, einen Regenerationsbetrieb durchzuführen, bei dem Wasserdampf, der auf dem Wärmetauscher durch Gefrieren eingefangen wurde, getaut und freigegeben wird.
Der Regenerationsbetrieb wird bewirkt durch einfaches Fortführen des Ausstoßbetriebs der Turbomolekularpumpe bei geschlossenem Torventil. Eine Erwärmung des Wasserdampfs ist nicht notwendig.
Dieser Regenerationsbetrieb kann durchgeführt werden durch die Verwendung der Torventilabschaltzeit, während normalen Betriebs einer Turbomolekularpumpe, beispielsweise bei einem Halbleiterherstellungsverfahren und dies ermöglicht, die Turbomolekularpumpe auf einer kontinuierlichen Basis zu betreiben, ohne daß eine besondere Zeit zur Regeneration benötigt wird.
Somit sieht die vorliegende Erfindung eine Turbomolekularpumpe vor, die ermöglicht, daß Gase mit geringen Molekulargewichten, insbesondere Wasserdampf, effizient ausgestoßen werden, während die Vorteile der herkömmlichen Turbomolekularpumpen beibehalten werden, nämlich daß es leicht ist, den Betrieb des Systems zu starten und zu beenden und daß es auch möglich ist, es auf einer kontinuierlichen Basis zu betreiben. Es sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung eine Auswahl einer gewünschten Konfiguration und eines Wärmetauschergebiets des Wärmetauschers ermöglicht auf der Basis der Bestandteile eines Gases, die ausgestoßen werden sollen und der Ausstoßzeit.
Die obigen und weiteren Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und die folgendes zeigen:
Fig. 1 ein Schnitt von vorn einer herkömmlichen Turbomolekularpumpe;
Fig. 2 ein Schnitt von vorn eines ersten Ausführungsbeispiels der Turbomolekularpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A eine Draufsicht eines Beispiels eines Wärmetauschers;
Fig. 4B ein Schnitt von vorn des Wärmetauschers entlang der Linie IV-IV in Fig. 4A;
Fig. 5A eine Draufsicht eines anderen Beispiels eines Wärmetauschers;
Fig. 5B ein Schnitt von vorn des Wärmetauschers entlang der Linie V-V in Fig. 5A;
Fig. 6 eine Kennlinie, die den Sättigungsdampfdruck von Wasserdampf zeigt; und
Fig. 7 ein Schnitt von vorn eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im weiteren in Einzelheiten beschrieben mit Bezug auf Fig. 2 bis 7.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine Turbomolekularpumpe, die allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist, weist einen Rotor 24 und ein Abstandselement (Abstandsmittel) 28 auf, wobei der Rotor 24 mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln 22 versehen ist, wobei das Abstandselement 28 eine Vielzahl von daran befestigten Statorschaufeln 26 aufweist, wobei jede Statorschaufel 26 zwischen einem Paar von benachbarten Rotorschaufeln 22 angeordnet ist. Der Rotor 24 ist an einer Motorwelle 32 eines Motors 30 gesichert. Das Abstandselement 28 ist innerhalb eines Gehäuses 34 befestigt. Das Gehäuse 34 ist mit einem Ansauganschluß 36 und einem Ausstoßanschluß 38 versehen. Ein Schutznetz oder - gitter 40 zum Schutz der Rotor- und Statorschaufeln 22 und 26 ist auf der stromabwärtigen Seite des Ansauganschlusses 36 (d. h. auf der Seite des Ansauganschlusses 36, die näher zum Ausstoßanschluß 38 ist, in der Richtung des Gasstroms gesehen) und auf der stromaufwärtigen Seite der Rotor- und Statorschaufeln 22 und 26 vorgesehen. Ein (nicht gezeigtes) Torventil (Ventilmittel) ist auf der stromaufwärtigen Seite des Ansauganschlusses 36 angeordnet.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Anordnung weist die in Fig. 2 gezeigte Turbomolekularpumpe 20 einen Wärmetauscher 42 auf, der am Ansauganschluß 36 vorgesehen ist. Der Wärmetauscher 42 ist mit einer Kühlvorrichtung 46 über ein Kühlrohr 44 verbunden. Die Kühlvorrichtung 46 ist von der Bauart, bei der entweder ein Niedertemperatur-Kühlströmungsmittel oder ein Normaltemperatur-Kühlströmungsmittel (oder heißes Gas) wahlweise durch das Kühlrohr 44 geliefert werden kann, und zwar durch Betätigen eines darin eingebauten (nicht gezeigten) Wahlventils, wodurch ermöglicht wird, zwischen der Kühlbetriebsart und der Entfrostungsbetriebsart hin und her umzuschalten innerhalb einer kurzen Zeit, wie es beispielsweise im US-Patent 4 176 526 gezeigt ist.
Der in Fig. 2 gezeigte Wärmetauscher 42 kann angeordnet werden, wie es in Fig. 4A bis 5B gezeigt ist. Der Tauscher 42 wird mit einem gekühlten Kühlmittel beliefert durch das Kühlrohr 44 (siehe Fig. 2) von der Kühlvorrichtung 46 (siehe Fig. 2). Das Kühlmittel tritt in den Wärmetauscher 42 durch einen Kühlmitteleinlaß 70 ein, kühlt die Wärmeübertragungsschlange 72' und die Wärmeübertragungsplatten 74' und 74" und kehrt zu der Kühlvorrichtung 46 von einem Kühlmittelauslaß 76 zurück. Wenn Wasserdampfmoleküle mit der gekühlten Wärmeübertragungsschlange 72' und den gekühlten Wärmeübertragungsplatten 74'/74" kollidieren, werden die Moleküle mit einer vorbestimmten Wahrscheinlichkeit durch Gefrieren eingefangen. Es sei bemerkt, daß der in Fig. 4B, 5B gezeigte Pfeil A den Gasstrom anzeigt, der in die Turbomolekularpumpe 20 eingesaugt wird.
Der Wärmetauscher 42B, der in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, weist eine zylindrische Wärmeübertragungsschlange oder -spirale 72', ein zylindrisches Wärmeübertragungsglied 74', das die Wärmeübertragungsschlange konzentrisch umgibt, und eine Vielzahl von radialen Wärmeübertragungsplatten 74" auf, welche zwischen der Wärmeübertragungsschlange 72' und dem Wärmeübertragungsglied 74' angelötet sind. Die Wärmeübertragungsschlange 72', das Wärmeübertragungsglied 74' und die Wärmeübertragungsplatten 74" sind parallel zu dem Gasmolekülfluß angeordnet, der von dem Ansauganschluß eingesaugt wird, wodurch der Flußwiderstand minimiert wird.
In dem in den Fig. 5A und 5B gezeigten Wärmetauscher 42C ist ein zylindrisches Wärmeschildglied 78 mittels Platten 79 konzentrisch an der Außenseite eines Wärmetauschers 42C befestigt, der die gleiche Anordnung hat, wie der in den Fig. 4A und 4B gezeigte, und dient zum Minimieren des Wärmeverlustes (Wärmeabsorption) auf Grund von Strahlungswärmeübertragung.
Der Betrieb des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels wird als nächstes erklärt. Um den Ausstoßschritt durchzuführen, wird das (nicht gezeigte) Torventil, das auf der stromaufwärtigen Seite des Ansauganschlusses 36 vorgesehen ist, geöffnet und die Kühlvorrichung 46 wird in der Kühlbetriebsart betrieben, um Niedrigtemperaturkühlmittel an den Wärmetauscher 42 zu liefern. Zusätzlich wird der Motor 30 gedreht, um ein Gas durch den Ansauganschluß 36 anzusaugen. Als Folge wird der in dem Gas enthaltende Wasserdampf durch den Wärmetauscher 42 durch Gefrieren eingefangen. Infolgedessen steigt die Gasausstoßeffizienz der in Fig. 2 gezeigten Turbomolekularpumpe, so daß es möglich ist, ein Hochvakuum von guter Qualität zu erhalten. Gasmoleküle (Wasserstoff, Helium etc.) mit geringen Molekulargewichten, außer Wasserdampf, werden nicht durch Gefrieren eingefangen, sondern die Gastemperatur senkt sich durch die Kollision oder den Kontakt dieser Gasmoleküle mit dem Wärmetauscher 42, so daß das Schaufelgeschwindigkeitsverhältnis ansteigt und somit die Gasausstoßleistung der Pumpe 20 verbessert wird.
Mit Bezug auf Fig. 6, welche eine Darstellung ist, die den Sättigungsdampfdruck von Wasserdampf zeigt, ist bei -85ºC der Sättigungsdampfdruck von Wasserdampf 10&supmin;&sup4; Torr (10&supmin;&sup4; mm Hg) und bei -140ºC 10&supmin;¹&sup0; Torr (10 mm Hg). Daher ist aus der Darstellung ersichtlich, daß die Stärke des sich ergebenden Vakuums erhöht wird durch Durchführen des Gasausstoßbetriebs, während Wasserdampf durch Gefrieren eingefangen wird.
Es sei bemerkt, daß die Darstellung von Fig. 6 Gleichgewichtsbedingungen zeigt, und daher wird es als notwendig angesehen, Wasserdampf auf Temperaturen geringer als den Temperaturbereich von -85ºC bis -140ºC zu kühlen, um einen Vakuumdruckbereich von 10&supmin;&sup4; Torr bis 10&supmin;¹&sup0; Torr zu erreichen in Anbetracht des Bedürfnisses für mechanische Effizienz etc. Aus diesem Grund verwendet das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eine Kühlmittelquelle, die Temperaturen von -100ºC bis -190ºC liefern kann.
Unter Verwendung einer in Anspruch 2 beanspruchten Turbomolekularpumpe ist es möglich einen Regenerationsbetrieb durchzuführen zum Auftauen und Freigeben der durch Gefrieren eingefangenen Moleküle, nachdem der Gasausstoßbetrieb für eine vorbestimmte Zeitperiode durchgeführt worden ist, durch Verwendung der in Fig. 2 gezeigten Turbomolekularpumpe 20, wird das Torventil (das in Fig. 2 nicht gezeigt ist, aber mit dem in Fig. 7 durch Bezugszeichen 90 bezeichneten Glied identisch ist), welches auf der stromaufwärtigen Seite des Ansauganschlusses 36 angeordnet ist, geschlossen und die Kühlvorrichtung 46 wird in die Entfrostungsbetriebsart umgeschaltet, wodurch sie ein Normaltemperatur-Kühlströmungsmittel oder heißes Gas an den Wärmetauscher 42 liefert, um diesen zu erwärmen. Infolgedessen sublimiert der durch Gefrieren auf dem Wärmetauscher 42 eingefangene Wasserdampf durch Absorbieren von Wärme von dem Wärmetauscher 42 und wird dann durch die Wechselwirkung zwischen den Rotorschaufeln 22 und den Statorschaufeln 26 ausgestoßen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als nächstes mit Bezug auf Fig. 7 erklärt. In Fig. 7 sind Glieder, die gleich den in Fig. 2 gezeigten sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Heizvorrichtung 52 am Ansauganschluß 36 zusätzlich zu dem Wärmetauscher 42 vorgesehen. Die Kühlvorrichtung 46A muß nicht notwendigerweise entfrosten können. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ausstoßschritt der gleiche wie im in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, aber beim Regenerationsschritt wird eine Erwärmung durchgeführt über die Kühlkapazität hinaus, und zwar mittels der Heizvorrichtung 52, wobei die Kühlkapazität der Kühlvorrichtung 46A beibehalten oder gesenkt wird. Als ein Ergebnis wird der Wasserdampf, der auf dem Wärmetauscher 42 durch Gefrieren eingefangen worden war, beim Erwärmen durch die Heizvorrichtung 52 sublimiert und durch die Wechselwirkung zwischen den Rotor- und Statorschaufeln 22 und 26 ausgestoßen. Es sei bemerkt, daß das in Fig. 7 gezeigte Bezugszeichen 90 ein Torventil bezeichnet, und 92 ein Vakuumgefäß oder ein Rohr, das damit verbunden ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist es nicht nötig, die Betriebsart der Kühlvorrichtung umzuschalten zwischen der Kühlbetriebsart und der Entfrostungsbetriebsart und es bedarf daher keiner langen Anstiegszeit, wie sie anderenfalls benötigt würde, wenn von einer Betriebsart in die andere umgeschaltet wird. Somit ist es möglich, die Effizienz des Betriebszyklus bestehend aus dem Ausstoßschritt und dem Regenerationsschritt weiter zu erhöhen.
Der Regenerationsschritt wird gemäß dem beanspruchten Verfahren durchgeführt durch einfaches Schließen des Torventils und durch Fortsetzen des Ausstoßbetriebs der Turbomolekularpumpe. Insbesondere in der in Fig. 7 gezeigten Turbomolekularpumpe wird, wenn das Torventil geschlossen ist und der Ausstoßbetrieb der Turbomolekularpumpe fortgesetzt wird, der Dampfdruck in einem Raum stromabwärts des Ansauganschlusses 36, d. h. einen Einfangraum, vermindert und die Sublimation des durch Gefrieren auf dem Wärmetauscher 42 eingefangenen Wasserdampfs wird dadurch bewirkt oder vermehrt. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Temperatur in dem Einfangraum -120ºC ist und daß der Wasserdampfdruck in dem Einfangraum vor dem Schließen des Torventils 6 · 10&supmin;&sup6; Torr ist (Punkt A in Fig. 6). In diesem Zustand würde, wenn das Torventil geschlossen wird und der Ausstoßbetrieb fortgesetzt wird, der Wasserdampfdruck in dem Einfangraum auf ungefähr 1 · 10&supmin;&sup8; Torr vermindert werden (Punkt B in Fig. 6). Somit wird der durch Gefrieren auf dem Wärmetauscher 42 eingefangene Wasserdampf sublimiert und durch die Wechselwirkung zwischen den Rotor- und Statorschaufeln 22 und 26 ausgestoßen, um einen Regenerationsbetrieb vorzusehen.
Bei einem solchen Regenerationsbetrieb ist es nicht notwendig, die Kühlvorrichtung 46A zwischen der Kühlbetriebsart und der Entfrostungsbetriebsart umzuschalten, wie es in dem ersten Ausführungsbeispiel benötigt wird, oder den Wärmetauscher 42 zu erwärmen, wie es im zweiten Ausführungsbeispiel notwendig ist. Somit gibt es keinen Bedarf für eine besondere Zeit, die allein für den Regenerationsschritt verwendet wird. Der Regenerationsbetrieb kann durch die Nutzung der Torventilabschaltzeit während eines normalen Betriebsvorgangs einer Turbomolekularpumpe durchgeführt werden, beispielsweise in einem Halbleiterherstellungsprozeß. Somit ist es möglich, die Turbomolekularpumpe auf einer kontinuierlichen Basis zu betreiben und die Effizienz der Turbomolekularpumpe weiter zu erhöhen, verglichen mit den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen.
Wie beschrieben wurde, ist es mit der Turbomolekularpumpe der vorliegenden Erfindung möglich, die Probleme zu eliminieren, die durch das Vorhandensein von Gasmolekülen mit niedrigen Molekulargewichten, insbesondere Wasserdampf, der in dem auszustoßenden Gas enthalten ist, hervorgerufen werden, und dennoch zu ermöglichen, daß der Betrieb des Systems leicht gestartet und beendet werden kann. Entsprechend ist es möglich, ein Hochvakuum von guter Qualität innerhalb einer kurzen Zeitperiode zu erhalten.
Zusätzlich ist die Turbomolekularpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem unabhängigen Wärmetauscher versehen, und zwar nicht zum Zwecke der Kühlung eines Teils eines Bauelements der Pumpe, beispielsweise des Gehäuses oder der Statorschaufeln, sondern zum Zweck des Einfangens von Gasmolekülen durch Gefrieren. Es ist daher möglich, eine gewünschte Konfiguration und ein gewünschtes Erwärmungsgebiet auf dem Wärmetauscher auszuwählen auf der Basis der Bestandteile des auszustoßenden Gases, sowie die Ausstoßzeit.
Obwohl die vorliegende Erfindung genau beschrieben wurde, sei bemerkt, daß die beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht ausschließlich sind und daß verschiedene Änderungen und Modifikationen darauf angewendet werden können, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Turbomolekularpumpe mit einem Rotor, der mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln versehen ist und mit einem Abstandselement versehen mit einer Vielzahl von Statorschaufeln, so daß Gasmoleküle von einem Ansauganschluß her angesaugt, komprimiert und von einem Ausstoßanschluß abgegeben werden, und zwar durch die Wechselwirkung zwischen den Rotor- und den Statorschaufeln, wobei die Verbesserung folgendes aufweist:

einen Wärmeaustauscher vorgesehen innerhalb des Ansauganschlusses und zwar verbunden mit einer Kühlvorrichtung über ein Kühlrohr; und ein Schieberventil vorgesehen an der stromaufwärts gelegenen Seite des Sauganschlusses, wobei die Kühlvorrichtung die Fähigkeit besitzt ein Kühlmittel zu liefern welches abgekühlt ist auf einen Bereich von ungefähr -100ºC bis ungefähr -190ºC, und wobei alle Wärmeübertragungselemente des Wärmeaustauschers parallel angeordnet sind zur Strömung der Gasmoleküle, die vom Ansauganschluß angesaugt werden, um den Strömungswiderstand zu minimieren.

2. Eine Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, wobei die Kühlvorrichtung zum Entfrosten in der Lage ist.

3. Eine Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, wobei diese ferner innerhalb des Ansauganschlusses eine Heizvorrichtung aufweist.

4. Eine Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, wobei die Wärmeübertragungselemente des Wärmeaustauschers eine zylindrische Wärmeübertragungsschlange aufweisen, wobei ein zylindrisches Wärmeübertragungsglied die Wärmeübertragungsschlange konzentrisch umgibt, und wobei eine Vielzahl von radialen Wärmeübertragungsplatten zwischen die Wärmeübertragungsschlange und das Wärmeübertragungsglied hartgelötet sind.

5. Eine Turbomolekularpumpe nach Anspruch 4, wobei die Wärmeübertragungselemente des Wärmeaustauschers ferner ein zylindrisches Wärmeschirmglied aufweisen, welches konzentrisch die Außenseite des zylindrischen Wärmeübertragungsgliedes umgibt und daran befestigt ist.

6. Verfahren zum Betrieb einer Turbomolekularpumpe, wobei folgendes vorgesehen ist:

ein Ausstoßschritt, in dem ein an der stromaufwärts gelegenen Seite eines Sauganschlusses vorgesehenes Schieberventil geöffnet wird und in diesem Zustand, Wasserdampf durch einen Wärmeaustauscher vorgesehen innerhalb des Ansauganschlusses und verbunden mit einer Kühleinrichtung über ein Kühlrohr durch Gefrieren eingefangen wird,

wobei die Kühlvorrichtung die Fähigkeit besitzt ein Kühlmittel zu liefern, welches abgekühlt ist auf einen Bereich von ungefähr -100ºC bis ungefähr -190ºC, ein Regenerationsschritt, in dem bei geschlossenem Schieberventil der durch Gefrieren eingefangene Wasserdampf aufgetaut und freigegeben wird, und wobei der Regenerationsschritt ausgeführt wird durch einfaches Schließen des Schieberventils und Fortsetzen des Absaugvorgangs der Turbomolekularpumpe.