DE69821453T2

DE69821453T2 - Vakuumpumpen

Info

Publication number: DE69821453T2
Application number: DE69821453T
Authority: DE
Inventors: David Rhodri Tramore Leyshon
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: Edwards Ltd
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2018-11-24
Also published as: JPH11230085A; GB9725146D0; EP0919726B1; US6106223A; EP0919726A1; DE69821453D1; JP4395210B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf verbesserte Vakuumpumpen mit besonderem Bezug auf solche mit einer Turbomolekularbetriebsart.
Eine herkömmliche Turbomolekularstufenanordnung einer Vakuumpumpe umfasst einen Stapel aus abwechselnden Rotoren und Statoren. Jede Stufe besteht tatsächlich aus einer massiven Scheibe mit einer Mehrzahl von davon (nominell) radial herabhängenden Schaufeln; die Schaufeln sind gleichmäßig um den Umfang der Scheibe herum beabstandet und "um" Radiallinien, die aus der Scheibenebene herausverlaufen, in Richtung der Drehung der Rotorstufe abgewinkelt.
Die Rotor- und Statorschaufeln haben positive bzw. negative Gradienten bei Betrachtung von einer Seite her in einer Radiallinie von der Scheibe. Diese Anordnung hat bei Molekularströmungsbedingungen die Wirkung, daß sie eine Bewegung von Molekülen durch die Pumpe bewirkt.
Es gibt eine Anzahl von Bauarten von Geräten, wo eine Mehrzahl von Kammern herab auf verschiedene Vakuumpegel evakuiert werden muß. Beispielsweise muß in den gut bekannten Massespektrometerbauarten derjenige Teil des Geräts, der als Detektor bekannt ist, üblicherweise bei etwa 10^–6 mbar betrieben werden, während der als Analysator bekannte Teil mit einem anderen Vakuumpegel von beispielsweise 10^–3 mbar betrieben werden muß.
Zusätzlich und bedeutsam ist, daß der Durchsatz von Gas aus den verschiedenen Teilen des Geräts im allgemeinen ebenfalls variiert. Beispielsweise kann in einem typischen Massenspektrometer der oben erörterten Bauart ein Bedarf von 60 Liter/Sekunde Kapazität für den Detektor und 200 Liter/Sekunde Kapazität für den Analysator bestehen.
In Geräten der Art, die Massenspektrometer umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist, werden normalerweise eine Anzahl verschiedener Vakuumpumpen eingesetzt. Beispielsweise können in Massenspektrometern der Detektor und der Analysator durch gesonderte Turbomolekular-Vakuumpumpen evakuiert werden, die selbst wiederum durch separate Pumpen, beispielsweise Drehflügelpumpen, abgestützt werden müssen.
Es besteht ein ständig wachsender Bedarf zum Rationalisieren des Einsatzes der verschiedenen Vakuumpumpen für eine insgesamt reduzierte Gerätegröße und Leistungsbedarf. Eine einfache Vorpumpe ist relativ üblich zum Abstützen von zwei (oder mehr) Turbomolekularpumpen. Des weiteren ist in neuerer Zeit vorgeschlagen worden, eine einzige Turbomolekularpumpe zum Ersatz von zwei (oder mehr) einzelnen Pumpen einzusetzen, wobei die einzige Pumpe einen normalen Einlaß für Gas hat, das durch alle Stufen der Pumpe hindurchpassieren muß, und einen Zwischeneinlaß aufweist, d. h. einen Einlaß zwischen den Stufen, für Gas, das durch nur die letzten Stufen der Pumpe hindurchpassieren muß.
Jedoch überwinden selbst diese Vorschläge zur Rationalisierung des Gerätepumpensystems nicht alle mit Größe und Leistungsverbrauch im besonderen verbundenen Probleme.
Die EP-A-0 731 278 lehrt ein Verfahren zum Kühlen von Rotorelementen einer Molekularvakuumpumpe.
Die EP-A-5 733 104 lehrt ein Vakuumpumpensystem für mehrstufige Gaseinlasssysteme.
Es besteht daher ein Bedürfnis für verbesserte Vakuumpumpen, bei denen die Rationalisierung weiter verbessert werden kann.
Gemäß der Erfindung ist eine Vakuumpumpe mit einer Mehrzahl von Vakuumstufen und einem ersten Pumpeneinlaß, durch welchen im Betrieb Gas durch sämtliche Pumpenstufen hindurchtreten kann, und einem zweiten Einlaß vorgesehen, durch welchen im Betrieb Gas in die Pumpe an einer Zwischenstufenstelle eintreten und nur durch die nachfolgenden Pumpenstufen hindurchgelangen kann, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenstufen vor der Zwischenstufenstelle von kleinerer Größe als die Pumpenstufen nach der Zwischenstufenstelle sind, so daß die Pumpe dem Druck- und Pumpkapazitätsforderungen verschiedener Systeme angepasst ist, welche an dem ersten bzw. dem zweiten Einlaß angeschlossen sind.
Die Erfindung findet vorteilhaft Anwendung insbesondere bei Turbomolekularpumpen.
Hinsichtlich der Anpassung der Druckanforderungen an die verschiedenen Systeme muß im allgemeinen das den niedrigeren Druck (höheres Vakuum) erfordernde System an den ersten Einlaß angeschlossen werden, so daß evakuiertes Gas durch alle Stufen der Pumpe hindurchtreten muß, während das den höheren Druck (niedrigeres Vakuum) erfordernde System im allgemeinen an den zweiten Einlaß angeschlossen werden muß, so daß evakuiertes Gas nur durch die auf die Zwischenstufe folgenden Stufen hindurchtreten muß.
Im Fall einer Turbomolekularpumpe im besonderen bedeutet dies, daß der Spitzendurchmesser des Rotors in den Stufen vor der Zwischenstufenstelle kleiner als nach der Zwischenstufenstelle ist.
Im Fall von Turbomolekularpumpen im besonderen wird bevorzugt, daß drei, vier, fünf, sechs oder mehr Stufen (Rotor/Stator-Paare) sowohl vor als auch nach der Pumpenzwischenstufenstelle vorhanden sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen einer Turbomolekularpumpe finden eine oder mehrere Holweck-Pumpenstufen zwischen der endständigen Turbomolekularstufe und dem Pumpenauslaß Anwendung.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun Bezug auf die anliegende Zeichnung genommen, die einen Vertikalschnitt durch eine Vakuumpumpe nach der Erfindung zeigt und die eine Turbomolekularbetriebsart sowie abschließende Holweck-Stufen aufweist.
Gemäß der Zeichnung ist eine Vakuumpumpe mit einem mehrteiligen Gehäuse 1 dargestellt, in dem eine Welle 2 montiert ist. Die Drehung der Welle 2 wird mittels eines Motors bewirkt, der allgemein mit 3 bezeichnet ist und um die Welle 2 herum positioniert ist. Die Position der Welle 2 wird durch Lager am Sockel, der allgemein mit 4 bezeichnet ist, und am oberen Ende, das allgemein mit 5 bezeichnet ist, beherrscht, deren Konstruktion auf dem Fachgebiet sämtlich bekannt ist.
Die Pumpe besitzt zwei Gruppen von Turbomolekularstufen, die grundsätzlich mit 6 und 7 bezeichnet sind und sich vor bzw. nach einer Zwischenstufenstelle befinden.
Die erste Gruppe von Turbomolekularstufen umfasst vier Rotoren (Laufräder) mit abgewinkelter Schaufelkonstruktion, wie oben beschrieben, und von bekannter Konstruktion, von denen einer mit 8 bezeichnet ist, und vier entsprechende Statoren wiederum mit abgewinkelter Schaufelkonstruktion und wiederum wie oben beschrieben und von bekannter Konstruktion, von denen in der Zeichnung einer mit 9 bezeichnet ist.
Der Spitzendurchmesser D₁ der Rotoren ist in der Zeichnung angegeben.
Ein Einlaß 10 zur ersten Gruppe von Stufen ermöglicht den Gaseintritt durch ein perphoriertes Einlasssieb 11 in die vier Rotor/Statorstufen der ersten Gruppe.
Eine zweite Gruppe von Turbomolekularstufen 7 umfaßt weitere sechs Rotoren (Laufräder) mit abgewinkelter Schaufelkonstruktion, von denen einer mit 12 bezeichnet ist, und sechs entsprechende Statoren wiederum mit abgewinkelter Schaufelkonstruktion, wovon einer in der Zeichnung mit 13 bezeichnet ist.
Der Spitzendurchmesser D₂ dieser Rotoren ist ebenfalls in der Zeichnung angegeben.
An einer Zwischenstufenposition zwischen der ersten und der zweiten Gruppe von Turbomolekularstufen ist eine Statorbrücke 14 von stark perforierter Konstruktion positioniert.
Aus der ersten Gruppe 6 von Turbomolekularstufen austretendes Gas kann durch den Zwischenstufenbereich hindurchtreten und in die zweite Gruppe 7 von Turbomolekularstufen gelangen.
Ein zweiter Einlaß 16 ist im Pumpengehäuse 1 gebildet und ermöglicht den Eintritt von Gas direkt in den Zwischenstufenbereich durch die Öffnungen in der Statorbrücke 14.
Am Auslaß der zweiten Gruppe 7 von Turbomolekularstufen ist eine Anzahl von Holweck-Stufen angeordnet. Diese Holweck-Stufen umfassen zwei umlaufende Zylinder 17, 18 und entsprechende ringförmige Statoren 19, 20 mit schraubenlinienförmigen darin gebildeten Kanälen (auf einer Seite beim Stator 19, auf beiden Seiten beim Stator 20), die alle grundsätzlich an sich bekannt sind.
Aus der Holweck-Stufe austretendes Gas wird in einen Kanal 21 gedrängt, der sich im Pumpengehäuse 1 befindet, und folglich zu einem Pumpenauslaß 22.
Bei dieser Ausführungsform sind daher die Gruppen der Turbomolekularpumpenstufen so bemessen, daß sie den Druckanforderungen und Pumpkapazitäten der jeweiligen Vakuumsysteme entsprechen, die am Einlaß 1 und am Einlaß 2 zu befestigen sind, was zu Gesamtpumpenverbesserungen hinsichtlich niedrigeren Leistungsverbrauchs und kleinerer Größe führt.

Claims

Vakuumpumpe mit einer Mehrzahl von Stufen (6, 7) und einem ersten Pumpeneinlaß (10), durch welchen im Betrieb Gas durch sämtliche Pumpenstufen (6, 7) hindurchtreten kann, und einem zweiten Einlaß (16), durch welchen im Betrieb Gas in die Pumpe an einer Zwischenstufenstelle eintreten und nur durch die nachfolgenden Pumpenstufen (7) hindurchgelangen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenstufen (6) vor der Zwischenstufenstelle von kleinerer Größe als die Pumpenstufen (7) nach der Zwischenstufenstelle sind, so daß die Pumpe den Druck- und Pumpkapazitätsanforderungen verschiedener Systeme angepasst ist, welche an dem ersten (10) bzw. dem zweiten (16) Einlaß angeschlossen sind.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1, die eine Turbomolekular-Vakuumpumpe ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher ein eine niedrigeren Druck erforderndes System an den ersten Einlaß (10) und ein einen höheren Druck erforderndes System an den zweiten Einlaß (16) angeschlossen ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpe eine Turbomolekularpumpe ist und der Spitzendurchmesser (D1) der Rotoren der Pumpe in den Stufen vor der Zwischenstufenstelle kleiner als in den Stufen nach der Zwischenstufenstelle (D2) ist.
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit mindestens drei Turbomolekularstufen sowohl vor als auch nach der Zwischenstufenstelle (D2).
Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei eine Holweck-Stufe zwischen der abschließenden Turbomolekularstufe (7) und dem Pumpenauslaß (22) Anwendung findet.