DE69625893T2 - Rotor für Turbomolekularpumpe - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft den Rotor einer Vakuumpumpe.
• Insbesondere betrifft die Erfindung einen Rotor für jene Vakuumpumpen, die als Turbomolekularpumpen bekannt sind, die in Gegenwart von besonders korrosiven Gasen verwendet werden sollen.
• Wie gut bekannt ist, kann eine Turbomolekularpumpe schematisch als ein äußeres Gehäuse umfassend betrachtet werden, in dem eine Anzahl von Gaspumpstufen untergebracht sind.
• Die Gaspumpstufen werden im Allgemeinen durch eine Anordnung von Statorringen erhalten, die mit Rotorscheiben zusammenwirken, die an einer drehbaren Welle befestigt sind, welche vom Pumpenmotor angetrieben wird.
• Die Pumpstufen umfassen einen Raum, um das Gas strömen zu lassen, der Pumpkanal genannt wird, in welchem die Oberflächen der Rotorscheibe und des zugewandten Stators relativ beabstandet sind, und enge Zonen, in denen die Oberflächen der Rotorscheibe und des zugewandten Stators sehr nahe zueinander liegen.
• Die Rotorscheiben können entweder flache (ebene) Scheiben oder Scheiben, die mit eng beabstandeten schrägen Schaufeln versehen sind, sein.
• Eine Vakuumpumpe vom Turbomolekulartyp umfasst sowohl flache Scheiben als auch Schaufelscheiben und ist in der Lage, niedrige Druckpegel in der Größenordnung von. 10&supmin;&sup8; Pa zu erreichen.
• Um die obigen Vakuumpegel mit den derzeit verwendeten Pumpen zu erreichen, muss sich der Rotor mit einer Geschwindigkeit nahe 100000 U/min drehen.
• Es war bekannt, Turbomolekularpumpen auf dem Gebiet der Fertigung von integrierten Schaltungen (ICs) zu verwenden.
• Im Fertigungszyklus von integrierten Schaltungen werden Gasgemische wie z. B. HCl, HBr, Cl&sub2;, Fl&sub2;, NH&sub3; usw. verwendet, die gut bekannte stark korrosive Gase sind.
• Ein Hauptproblem bei der Verwendung von Turbomolekularpumpen in der IC-Fertigungsindustrie liegt an der Ansammlung einer nicht vernachlässigbaren Menge an Gas aufgrund der Diffusion durch die Pumpstufen.
• Folglich kommen die Oberflächen der inneren Bauteile der Pumpe, insbesondere die Rotoroberfläche, mit solchen Gasgemischen in direkten Kontakt und werden deren Korrosionswirkung ausgesetzt.
• Es sind auch Rotoren für Turbomolekularpumpen bekannt, die mit einem Metall- oder Keramiküberzug als Schutz gegen die Wirkung eines solchen korrosiven Gases versehen sind.
• Der bekannte Schutzmetallüberzug wird im Allgemeinen mittels Vernickeln, Verzinken oder Anodisierungsprozessen auf den Rotor aufgebracht.
• Wie bereits erwähnt, wird der Rotor einer Turbomolekularpumpe mit sehr hohen Geschwindigkeiten gedreht, die gewöhnlich nicht niedriger als 25000 U/min sind.
• Aufgrund der sehr hohen Rotationsgeschwindigkeit des Rotors und des extrem verringerten Spalts zwischen dem Pumpenrotor und dem Stator in den Pumpstufen kann eine Massenverteilung im Rotorkörper, die bezüglich seiner Rotationsachse nicht homogen ist, ein Kräfteungleichgewicht verursachen, so dass die Arbeit der Pumpe bis zu einem Ausfall ihrer Bauteile gefährdet wird.
• Somit besteht eine wesentliche Anforderung bei der Herstellung einer Turbomolekularpumpe, die insbesondere mit korrosiven Gasen verwendet werden soll, darin, ein im Wesentlichen perfektes Rotationsgleichgewicht des Rotorkörpers zu erzielen.
• Die bis jetzt verwendeten bekannten Metall- oder Keramiküberzüge weisen den Nachteil auf, dass sie für das Aufbringen auf Gegenstände, die vollständig im Gleichgewicht bleiben sollen, während sehr glatte Oberflächen wie z. B. des Rotors einer Turbomolekularpumpe aufrechterhalten werden, ungeeignet sind. Aufgrund der komplexen geometrischen Form und der kleinen Größe der Bereiche, in denen die Schaufeln am Rotor befestigt sind, kann sich nämlich die Dicke des Metall- oder Keramiküberzugs als nicht angemessen und leicht wegzukorrodieren ergeben.
• Um zu verhindern, dass dies geschieht, wird häufig die Menge des auf dem Rotorkörper abgeschiedenen Schutzmaterials erhöht, aber diese Gegenmaßnahme kann zu einer ungleichmäßigen Dicke des Schutzüberzugs der flachen Oberflächen der Rotorscheiben führen, die manchmal dazu führt, dass sie zu dick sind.
• Folglich wird ein zusätzlicher Nachbearbeitungsschritt erforderlich, um die Oberflächen zu ebnen, auf denen das abgeschiedene Material eine ungleichmäßige Dicke aufweist.
• JP 59 041699 offenbart ein Verfahren zum Aufbringen einer polymeren korrosionsbeständigen Schicht mit etwa 1 um auf die Oberfläche der Turbinenschaufeln (Rotor- und Statorschaufeln) für Vakuumpumpen vom Turbotyp mittels Plasmapolymerisation, bei der ein Monomer durch Glimmentladung bei einer niedrigen Frequenz von 1 bis 100 kHz polymerisiert wird. Das Aufbringen des Überzugs auf die Turbinenschaufeln belässt nur die Rotorwelle und die restlichen stationären Bauteile der Pumpe der Korrosion ausgesetzt. Das verwendete Polymer ist ein vernetztes Polymer.
• DE 4239391 bezieht sich auf einen Rotor aus einer Al- Legierung für eine Turbomolekularpumpe, der gegen Korrosion und Verschleiß mittels Keramikschichten beständig gemacht wird, wobei eine der Schichten mit einem Fluorpolymer gefüllt ist.
• JP 58 133875, JP 81 67514 und US 4842893 offenbaren Verfahren zum Aufbringen von Polymerüberzügen durch ein Kondensations-Polymerisations-Verfahren. Keines der Dokumente betrifft die Beschichtung der Bauteile einer Turbomolekularpumpe.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorstehend erwähnten Nachteile zu beseitigen, indem ein Rotor für eine Vakuumpumpe realisiert wird, der korrosionsbeständig ist, während er gleichzeitig eine leichte und kostengünstige Konstruktion aufweist.
• Die obigen Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch einen Rotor nach Anspruch 1 gelöst.
• Zusätzliche Aufgaben der Erfindung werden durch einen Rotor nach den abhängigen Ansprüchen gelöst.
• Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung von einigen bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsbeispielen derselben ersichtlich, die - nur als Beispiel - in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen gilt:
• Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht eines Rotors einer Turbomolekularpumpe; und
• Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Details des erfindungsgemäßen Rotors.
• Mit Bezug auf Fig. 1 umfasst ein Rotor 1 einer Turbomolekularpumpe eine Vielzahl von flachen Rotorscheiben 2 und eine Vielzahl von Rotorscheiben 3, die mit vorstehenden schrägen Schaufeln 4 versehen sind.
• Die Rotoren 2 und 3 sind an einer drehbaren Welle 5 befestigt, die durch einen Pumpenmotor (nicht dargestellt) zur Rotation angetrieben wird.
• Mit Bezug auch auf die vergrößerte Querschnittsansicht von Fig. 2 ist die Oberfläche des erfindungsgemäßen Rotors mit einer polymeren Schutzschicht oder einem polymeren Schutzfilm 6 bedeckt, die/der gleichmäßig über die gesamte Rotoroberfläche verteilt ist. Das Polymer ist eine geradkettige organische Verbindung mit einem Molekulargewicht von mehr als 10000 und ist elektrisch isolierend.
• In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dicke der Schutzschicht 6 für eine bessere Einschätzung viel größer als die echte Größe gezeigt.
• Die Überzugsschicht 6 wird vorzugsweise durch Polymerisation eines reaktiven Monomers über der Rotoroberfläche unter Vakuumbedingungen erhalten.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die Dicke der Schutzschicht 6 zwischen 12 und 20 um mit einer Toleranz von etwa ± 2 um, so dass die Dicke im Bereich zwischen etwa 10 und 22 um liegt.
• Ein bevorzugtes Polymermaterial für die Schicht 6 ist ein sogenanntes Poly-(p-xylylen), das heißt ein Polymer von (p- Xylylen). In diesem Fall umfasst der Beschichtungsprozess eine Verdampfung eines Dimers von (p-Xylylen) unter Vakuum, vorzugsweise unter einem Druck von 100 Pa bei einer Temperatur von etwa 150ºC.
• Dann wird der Dampf durch eine Pyrolysezone bei einer Temperatur von etwa 680ºC und einem Druck von 50 Pa geleitet, wobei somit das Monomer von (p-Xylylen) gebildet wird.
• Das Monomer wird dann unter einem niedrigeren Druck in eine Beschichtungskammer eingelassen, welche den Rotorkörper enthält, der für eine bessere Verteilung des Überzugs in Rotation gehalten wird. Der Rotor befindet sich im Wesentlichen auf Raumtemperatur, d. h. er ist bezüglich des Monomers "kalt", und dieser Temperaturunterschied verursacht eine Kondensation mit im Wesentlichen gleichzeitiger Polymerisation des reaktiven Monomers auf der Rotoroberfläche.
• Ein geeignetes Dimer von (p-Xylylen) ist von Ausimont unter dem Handelsnamen GALAXYL oder von Union Carbide unter dem Handelsnamen PARYLENE erhältlich.
• Aus Laborvergleichstests, die vom Anmelder ausgeführt wurden, wurde festgestellt, dass die Korrosionsbeständigkeit eines gemäß der Erfindung behandelten Rotors viel höher ist als jene von Rotoren, die durch herkömmliche Keramik- oder Metallschichten geschützt werden.
• Es wird angenommen, dass die überlegene Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäßen Rotors sowohl von den korrosionsbeständigen Eigenschaften des Polymerüberzugs als auch der hohen Gleichmäßigkeit der abgeschiedenen Schicht beruht, die sich auch über scharfe Kanten oder vertiefte Bereiche, insbesondere am Übergang der Rotorschaufeln, erstreckt.
• Es ist ersichtlich, dass der erfindungsgemäße Polymerüberzug auch auf andere (stationäre) Bauteile einer Turbomolekularpumpe aufgebracht werden kann, die einer Korrosion ausgesetzt sind, wie z. B. die Statorringe, die Abstandsringe, die sich zwischen den Statoren befinden, den Pumpenkörper und seine Innenfläche.

Claims (4)

1. Vakuumpumpe mit:

- einem Pumpenkörper;

- Statorringen und Abstandsringen zwischen den Statorringen; und

- einem Rotor (1) mit einer drehbaren Welle (5) und einer Vielzahl von Rotorscheiben (2, 3), die zueinander parallel und voneinander beabstandet sind und an der drehbaren Welle (5) befestigt sind, wobei die Oberflächen des Rotors und der Abstandsringe mit einem korrosionsbeständigen Schutzüberzug bedeckt sind, welcher aus einer Polymermaterialschicht mit einer gleichmäßigen Dicke ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auch die Rotorwelle und die restlichen stationären Pumpenbauteile, die einer Korrosion ausgesetzt sind, insbesondere der Pumpenkörper und seine Innenfläche, mit dem Schutzüberzug bedeckt sind, und dass der Überzug eine Schicht aus einem geradkettigen Polymermaterial ist, das elektrisch isolierend ist und ein höheres Molekulargewicht als 10000 aufweist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geradkettige Polymermaterial Poly-(p-xylylen) ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht eine Dicke zwischen 10 und 22 um aufweist.

4. Pumpe nach einen vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht durch Kondensation und Polymerisation eines reaktiven Monomers auf den zu schützenden Oberflächen unter Vakuumbedingungen erhalten wird.