EP0276346B1

EP0276346B1 - Regelbare Drossel für eine Vakuumpumpe, insbesondere Kryopumpe

Info

Publication number: EP0276346B1
Application number: EP87101153A
Authority: EP
Inventors: Wilhelm Strasser; Axel Veit
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1987-01-28
Filing date: 1987-01-28
Publication date: 1991-10-09
Anticipated expiration: 2007-01-28
Also published as: US4803845A; DE3773646D1; EP0276346A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine regelbare Drossel für eine Vakuumpumpe, insbesondere Kryopumpe, mit einem separaten Flansch, mit dem die Drossel auf die Kryopumpe aufgesetzt werden kann, mit einem im separaten Flansch befestigten Rahmen, an dem streifenförmige Elemente um eine Längsachse drehbar und dadurch in ihrer Neigung einstellbar gehaltert sind, sowie mit einer der Neigungseinstellung der Streifen dienenden Betätigungsstange, die durch eine radial gerichtete Bohrung im Flansch hindurchgeführt ist.
Aus der EP-A-0 102 787 ist ein Drosselventil dieser Art bekannt. Es umfaßt sektorförmige Streifen, die sternförmig und um ihre Längsachse drehbar innerhalb des Flansches angeordnet sind. Die gemeinsame Betätigung der Streifen erfolgt mit Hilfe eines Seilzuges, der über radial außen mit den sektorförmigen Verschlußstreifen verbundenen Scheiben geführt ist. Eine dieser Scheiben ist mit einer durch eine Bohrung im Flansch nach außen geführten Welle ausgerüstet. Über diese Welle erfolgt die Betätigung des Drosselventils mittels einer Drehbewegung. Eine Drossel dieser Art baut relativ hoch und benötigt eine Vielzahl von koordiniert zueinander zu bewegenden Sektorstreifen. Eine Reduzierung der Anzahl der Sektorstreifen wäre denkbar; dann aber müßte eine noch größere Drossel-Bauhöhe gewählt werden, da die maximale Breite der Sektorstreifen umso größer zu wählen ist, je weniger Sektorstreifen vorhanden sind. Die Abdichtung der zur Übertragung einer Drehbewegung erforderlichen, durch den Flansch nach außen geführten Welle ist bei den üblicherweise vorliegenden Hochvakuum-Bedingungen problematisch. Schließlich ist der hohen Temperaturschwankungen ausgesetzte Seilzug nicht dauerhaft funktionssicher.
Aus den DE-A-29 36 931 und DE-A-32 16 591 sind Drosseln bekannt, die in mindestens zweistufigen Kryopumpen fest eingebaut sind. Sie sind jeweils im Beriech der Eintrittsöffnung der Kryopumpe angeordnet und haben im wesentlichen zwei Funktionen. Zum einen bilden die Bauteile der Drossel Pumpflächen für Gase mit relativ hoher Kondensationstemperatur (im folgenden generell mit Dämpfe bezeichnet), zum Beispiel Wasserdampf. Um diese Dämpfe durch Kryokondensation zu binden, wird die Drossel gut wärmeleitend mit der ersten Stufe des Refrigerators verbunden. Sie nimmt dadurch eine Betriebstemperatur von ca. 50 K bis 80 K an. Weiterhin haben die fest eingebauten Drosseln die Aufgabe, die inneren Pumpflächen bei überhöhtem Dampfanfall zu schützen. Die inneren Pumpflächen haben eine Temperatur von etwa 10 K bis 30 K und dienen im wesentlichen der Kryokondensation von niedrigsiedenden schwereren Gasen (im folgenden generell mit Permanentgase bezeichnet), zum Beispiel Argon. Zusätzlich sind in der Regel noch mit Adsorptionsmaterialien belegte Flächen zur Sorption von leichten Gasen wie Wasserstoff und Helium an den inneren Pumpflächen vorgesehen. Ein zeitweise stark erhöhter Dampfanfall tritt zum Beispiel bei Sputterprozessen ein, bei denen Kryopumpen immer häufiger eingesetzt werden. Gelangen die Dämpfe auf die inneren Pumpflächen, dann sind diese in kurzer Zeit mit einer Eisschicht belegt, so daß danach Permanentgase und leichte Gase nicht mehr wirksam abgepumpt werden können.
Die aus der DE-A 29 36 931 vorbekannte Drossel ist als Blende mit einer Statorplatte und einer Rotorplatte ausgebildet. Diese Platten weisen jeweils einander entsprechende sektorförmige Ausnehmungen auf, deren Größe so gewählt ist, daß die Ausnehmungen der Statorplatte durch Verdrehen der Rotorplatte geöffnet und geschlossen werden können. Bei erhöhtem Dampfanfall wird die Drossel in ihre Schließstellung gebracht, so daß die inneren Pumpflachen geschützt sind. Eine in dieser Weise ausgebildete Drossel kann maximal 40 % der Einlaßöffnung einer Kryopumpe freigeben, so daß sie bei maximaler Öffnung ein relativ großes Hindernis für die einströmenden Permanentgase darstellt. Weiterhin kann eine Drossel dieser Art nicht zusätzlich noch die Funktion eines Baffles übernehmen, das die Aufgabe hat, die im Pumpengehäuse befindlichen Kaltflächen vor unmittelbarer Wärmestrahlung zu schützen. Ist ein derartiger Schutz erwünscht, dann muß neben der durch die DE-OS 29 36 931 bekannten Drossel noch ein die "optische Dichtheit" bewirkendes Baffle verwendet werden. Übliche Baffle nehmen ebenfalls ca. 50 % der Einlaßöffnung ein, so daß Baffle und Drossel zusammen den Weg zu den inneren Kaltflächen um mindestens 80 % versperren. Eine weitere Beeinträchtigung des Saugvermögens ergibt sich durch die Notwendigkeit, Baffle und Drossel hintereinander anordnen zu müssen, so daß sich relativ lange Pumpewege ergeben. Das praktisch erreichbare Permanent-Saugvermögen einer mit Baffle und Drossel ausgerüsteten Kryopumpe liegt deshalb, selbst bei vollständig geöffneter Drossel, maximal bei 20 % des theoretisch möglichen Saugvermögens.
Die aus der DE-A-32 16 591, Figuren 3 und 4, bekannte, fest in eine Kryopumpe eingebaute Drossel umfaßt parallel zueinander angeordnete, in ihrer Neigung einstellbare Streifen, die eine über ihre Längsausdehnung konstante Breite haben und deren Drehachsen parallel zueinander liegen. Die Betätigung der Streifen erfolgt mit Hilfe eines Seilzuges, der durch einen gesonderten Stutzen am Pumpengehäuse in eine seitliche Kammer geführt ist. Darin befindet sich eine drehbare Scheibe, an der der Seilzug befestigt ist. Auch bei dieser vorbekannten, in einer Kryopumpe fest eingebauten Drossel ist der hohen Temperaturschwankungen ausgesetzte Seilzug nicht dauerhaft funktionssicher. Die Betätigungs-Drehbewegung erfordert eine vakuumdichte Drehdurchführung. Schließlich besteht der Nachteil, daß der Aufbau einer Kryopumpe mit einer fest eingebauten Drossel der vorbekannten Art gegenüber einer Kryopumpe, bei der eine regelbare Drosselung des Saugvermögens nicht erforderlich ist, unverhältnismäßig aufwendig und damit kostspielig ist, da insbesondere ein gesonderter Anschlußstutzen für die Herausführung des Seilzuges, eine vakuumdichte Drehdurchführung und eine größere Bauhöhe erforderlich sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drossel der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher die vorerwähnten Nachteile nicht mehr anhaften.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Eine Drossel mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ist ein völlig unabhängiges modulares Bauteil, das aus relativ wenigen Einzelbauteilen besteht und dennoch einen relativ großen Öffnungsgrad hat. Hochvakuumdichte Drehdurchführungen sind nicht mehr erforderlich. Auch die Funktionssicherheit beeinträchtigende Seilzüge sind entfallen. Die Höhe des äußeren Flansches kann sehr klein gehalten werden. Die erfindungsgemäße Drossel kann auf die Eintrittsöffnung handelsüblicher Vakuumpumpen aufgesetzt werden, ohne die Gesamtbauhöhe wesentlich zu vergrößern. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der Drossel zur Regelung des Saugvermögens von Kryopumpen. Sonderanfertigungen sind nicht mehr erforderlich. Die erfindungsgemäße Drossel ist nicht nur in der Lage, die beiden Funktionen "Pumpflächen für Dämpfe" und "Schutz der inneren Pumpflächen bei erhöhtem Dampfanfall" zu erfüllen; sie kann darüber hinaus - bei geeigneter Gestaltung der inneren Pumpflächen - auch noch die übliche Funktion eines Baffles erfüllen, nämlich, die inneren Pumpflächen vor direkter Wärmestrahlung zu schützen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden.
Die Figuren zeigen das Oberteil einer Kryopumpe 1, auf deren die Eintrittsöffnung bildenden Flansch 2 eine Drossel 3 nach der Erfindung aufgesetzt ist. Die Pumpflächen 4 und 5 der Kryopumpe 1 werden mit Hilfe eines zweistufigen Refrigerators 6 gekühlt. Die an der ersten Stufe 7 des Refrigferators 6 befestigte Pumpfläche 5 ist topfförmig ausgebildet und umschließt die zweite Stufe 8 und die daran befestigten Pumpflächen 4. Während des Betriebs der Pumpe nimmt die isoliert im Gehäuse 1 angeordnete topffförmige Pumpfläche 5 eine Temperatur von ca. 50 K bis 80 K an, so daß an diesen Flächen Dämpfe durch Kryokondensation gebunden werden können. Die inneren Pumpflächen 4 bestehen aus zwei parallel zueinander angeordneten ebenen Abschnitten 11 und 12, die mit der zweiten Refrigeratorstufe 8 in gut wärmeleitender Verbindung stehen. Dadurch nehmen sie während des Betriebs der Kryopumpe eine Temperatur von ca. 10 bis 20 K an. An diesen Flächen lagern sich Permanentgase durch Kryokondensation an. Sind die Innenflächen der Anschnitte 11 und 12 mit z. B. Aktivkohle belegt, dann findet auch die Kryosorption leichter Gase statt.
Die erfindungsgemäße Drossel 3 umfaßt den Flansch 14, mit dem sie auf den Flansch 2 der Kryopumpe aufgesetzt ist.
Innerhalb des Flansches 14 ist ein Rahmen 13 gehaltert, an dem parallel zueinander angeordnete Streifen 15 bis 18 um Längsachsen 21 bis 24 drehbar befestigt sind. Die Streifengruppen 15, 16 bzw. 17, 18 bewegen sich gegenläufig zueinander und sind jeweils untereinander über einen Hebel 25 bzw. 26 gekoppelt. Zur Betätigung der Streifenbewegung dient eine Betätigungsstange 27, die durch eine Bohrung 28 im Flansch 14 nach außen herausgeführt ist. Die Betätigungsstange 27 ist oberhalb der Drehachsen 21 bis 24 an dem Streifen 17 angelenkt. An den gleichen Anlenkpunkt greift ein Umlenkhebel 29 an, der unterhalb der Drehachsen 21 bis 24 an den Streifen 16 der anderen Streifengruppe angelenkt ist. Eine Längsverschiebung der Betätigungsstange 27 bewirkt infolge der aus den Hebeln 25, 26 und 29 zusammengesetzten Gelenkkette die gewünschte gegenläufige Bewegung der Streifengruppen 15, 16 bzw. 17, 18.
An die Bohrung 28 im Flansch 14 schließt sich eine vakuumdichte, über die Bohrung 28 mit dem Innenraum der Pumpe verbundene Kammer 31 an. Innerhalb dieser Kammer ist die Betätigungsstange 27 an einen im wesentlichen senkrecht zur Betätigungsstange 27 angeordneten Schwenkhebel 32 angelenkt, dessen ortsfeste Schwenkachse mit 33 bezeichnet ist. Dem aus der Kammer 31 durch die Öffnung 34 herausgeführten Schwenkhebel 32 ist ein Antrtieb 35 (elektrisch, pneumatisch oder dergleichen) zugeordnet, dessen Antriebsachse 36 über den Hebel 37 an den Schwenkhebel 32 angreift. Zur Abdichtung der Öffnung 34 gegenüber dem Innenraum der Kammer 31 ist der Schwenkbalg38 vorgesehen, der einerseits mit einem Kragen am Schwenkhebel 32 und andererseits mit der die Öffnung 34 aufweisenden Kammerwand vakuumdicht verbunden ist.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Drossel in einer Offenstellung, während in der Draufsicht nach Figur 2 die Drossel geschlossen dargestellt ist. In ihrer Schließstellung liegen die Streifen 16 und 17 einem feststehenden Baffleblech 41 auf, so daß die gewünschte Dichtheit der Drossel in ihrer Schließstellung auch im zentralen Bereich sichergestellt ist. Die Stirnseiten der Streifen 15 bis 18 und 41 sind bogenförmig gestaltet und der Eintrittsöffnung der Kryopumpe angepaßt.
Die erfindungsgemäße Drossel 3 ist darüber hinaus so gestaltet, daß sie bei einer Kryopumpe zwei weitere Funktionen erfüllen kann, und zwar zum einen die Pumpfunktion und zum anderen die übliche Bafflefunktion. Zur Erfüllung dieser Funktionen ist es erforderlich, daß die Drossel 3 ausreichend tiefe Temperaturen annimmt. Dazu ist der Rahmen 3 möglichst wärmeisoliert (zum Beispiel über möglichst wenig Keramikstifte 42) innerhalb des Flansches 14 gehaltert. Außerdem weist der Rahmen 13 Anlageflächen 43 auf, mit denen er dem oberen Rand der topfförmigen Pumpfläche 5 anliegt. Dadurch nehmen der Rahmen 13, die Streifen 14 bis 18 und das ortsfeste, am Rahmen 13 befestigte Baffleblech 41 die Temperatur der Pumpfläche 5 an und sind damit zur Bindung von Dämpfen durch Kryokondensation ausreichend kalt. Zur weiteren thermischen Ankopplung dienen die beiden mit dem Streifen 41 verbundenen U-förmigen Bügel 44, die mit Schrauben 45 an den vorhandenen Befestigungsstellen (Sockel 46) an der Pumpfläche 5 befestigt sind (Fig. 3). Die Streifen 15 und 18 sind mit je zwei Kupferbändern 47 (Fig. 1) thermisch mit dem Ring 13 kontaktiert.
Die Abmessungen des Baffleblechs 41 sowie die Breite und Schwenkbereiche der Streifen 15 bis 18 sind so gewählt, daß in jeder Stellung der Drossel 3 die Pumpflächen 4 vor unmittelbar auftreffender Wärmestrahlung geschützt sind.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die Drehachsen 21 bis 24 außerhalb des von der zylindrischen Innenwand des Flansches 14 gebildeten Raumes, und zwar in Richtung Pumpflächen 4. Dadurch ist eine kompakte Bauweise möglich. Die Drossel 3 kann ein üblicherweise in diesem Bereich angeordnetes feststehendes Baffle ersetzen. Um eine Kryopumpe für den Einsatz bei Sputterprozessen, das heißt mit durchsatzregelbarer Eintrittsöffnung zu schaffen, ist es deshalb lediglich erforderlich, das den inneren Pumpflächen zugeordnete Baffle mit unbeweglichen Baffle-Streifen durch die erfindungsgemäße Drossel zu ersetzen. Eine wesentliche Verlängerung der Wege und zusätzliche Leitwertverluste für die zu pumpenden Gase ist vermieden, ohne auf eine Bafflefunktion verzichten zu müssen.

Claims

Regelbare Drossel für eine Vakuumpumpe, insbesondere Kryopumpe, mit einem separaten Flansch (14), mit dem die Drossel auf die Kryopumpe aufgesetzt werden kann, mit einem im separaten Flansch (14) befestigten Rahmen (13), an dem streifenförmige Elemente (15 bis 18) um eine Längsachse (21 bis 24) drehbar und dadurch in ihrer Neigung einstellbar gehaltert sind, sowie mit einer der Neigungseinstellung der Streifen dienenden Betätigungsstange (27), die durch eine etwa radial gerichtete Bohrung (28) im Flansch (14) hindurchgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Elemente (15 bis 18) eine über ihre Längsausdehnung im wesentlichen konstante Breite haben, daß die Drehachsen (21 bis 24) parallel zueinander liegen, daß zwei gegenläufig zueinander bewegbare, mittels einer Gelenkkette (25, 26, 29) gekoppelte Streifengruppen (15, 16 bzw. 17, 18) vorgesehen sind, daß zur Bildung der Gelenkkette Hebel (25 bzw. 26) vorgesehen sind, die die Streifen gruppenweise miteinander koppeln, und ein weiterer Umlenkhebel (29) vorgesehen ist, der die beiden Gruppen (15, 16 bzw. 17, 18) miteinander verbindet und die gegenläufige Bewegung erzeugt, daß die Betätigungsstange (27) mit ihrem einen Ende an einen (17) der Streifen angelenkt ist, daß das andere Ende der Betätigungsstange innerhalb einer sich an die Bohrung (28) im Flansch (14) anschließenden Kammer (31) mit einem nach außen geführten Schwenkhebel (32) gelenkig verbunden ist und daß der Schwenkhebel mit einer Schwenkbalgabdichtung (38) ausgerüstet ist.
Drossel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (15 bis 18) gruppenweise miteinander verbindenden Hebel (25, 26) auf der einen Seite einer von den Drehachsen (21 bis 24) gebildeten Fläche und der Anlenkpunkt der Betätigungsstange (27) auf der anderen Seite dieser Fläche angeordnet sind.
Drossel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen (21 bis 24) der Streifen (15 bis 18) außerhalb des von der inneren Mantelfläche des Flansches (14) definierten Zylinderraumes liegen und daß der Anlenkpunkt der Betätigungsstange (27) innerhalb dieses Zylinderraumes liegt.
Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (13) innerhalb des Flansches (14) über schlecht wärmeleitende Mittel gehaltert ist und zur Anlage an Pumpflächen (5) einer Kryopumpe (1) bestimmte Flächen (43) aufweist.
Mit einer Drossel nach Anspruch 4 ausgerüstete zweistufige Kryopumpe, welche mit einer topfförmigen Pumpfläche für Dämpfe und zwei ebenen, parallel zueinander angeordneten Pumpflächen (4) für Permanentgase ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (15 bis 18) der Drossel (3) parallel zu den Pumpflächen (4) angeordnet sind und daß die Anlageflächen (43) am Rahmen (13) dem oberen Rand der topfförmigen Pumpfläche (5) anliegen.
Kryopumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Streifen (15 bis 18) über Kupferbandabschnitte (47) mit dem Ring (13) verbunden ist.
Kryopumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur thermischen Kopplung eines feststehenden zentralen Streifens (41) mit der topfförmigen Pumpfläche (5) vorzugsweise U-förmig gestaltete Bügel (44) vorgesehen sind, die mit dem zentralen Streifen (41) verlötet und an Befestigungssockeln (46) an der Pumpfläche (5) gehaltert sind.