EP1081387A2 - Vakuumpumpe - Google Patents

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EP1081387A2
EP1081387A2 EP00117868A EP00117868A EP1081387A2 EP 1081387 A2 EP1081387 A2 EP 1081387A2 EP 00117868 A EP00117868 A EP 00117868A EP 00117868 A EP00117868 A EP 00117868A EP 1081387 A2 EP1081387 A2 EP 1081387A2
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EP
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pump
parallel
stages
units
gas
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Pfeiffer Vacuum GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/16—Centrifugal pumps for displacing without appreciable compression
    • F04D17/168—Pumps specially adapted to produce a vacuum
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/046—Combinations of two or more different types of pumps

Definitions

  • the invention relates to a vacuum pump for conveying gases and for generating of high vacuum according to the preamble of the first claim.
  • Combinations of different types of are used to generate high vacuum Vacuum pumps necessary because of the wide pressure range between atmospheric pressure and high vacuum pressure includes several flow areas in which the physical Properties of states and flows of gases each have different laws are subject.
  • At least two vacuum pumps have been used to generate high vacuum different types and working methods combined to form a pumping station.
  • pumping stations consisting of a turbomolecular pump have proven successful as a high vacuum pump and a rotary vane pump, which works against atmospheric pressure ejects.
  • Pumping stations consisting of at least two vacuum pumps, which are used to achieve the required vacuum parameters, such as Pressure ratio and pumping speed are necessary, have the disadvantage that they are complex and take up a lot of space. Every pump requires one own drive system with power supply, monitoring and control as well its own storage system. Connection lines between the pumps with valves and control devices increase the effort.
  • Turbomolecular pumps are particularly suitable for generating high and ultra-high vacuum for use in wide areas of technology. However, their area of application is limited to higher pressures, since their mode of operation means that they are only fully effective at low pressures of up to about 10 -3 mbar.
  • side channel pumps in multi-stage construction can be used. They work well with turbomolecular pumps and also combine with other types of molecular pumps.
  • the rotor parts Both pumps can be accommodated on one shaft, so that both form a structural unit.
  • the invention has for its object to develop a vacuum pump which the entire pressure range from atmospheric pressure to high and ultra high vacuum includes.
  • the pump should consist of one piece and a compact one Have structure so that the disadvantages described above, which Adhering to pumping stations consisting of several pumps can be avoided. Furthermore, it should have a sufficiently high pressure ratio and pumping speed, to meet the requirements in practical use.
  • a reliable one and safe operation is one of the basic requirements.
  • the arrangement according to the invention enables the parallel connection of Gaedepumpgen present a compact vacuum pump that is suitable for this is the entire pressure range from atmospheric pressure to high or ultra high vacuum to cover.
  • a compact vacuum pump that is suitable for this is the entire pressure range from atmospheric pressure to high or ultra high vacuum to cover.
  • the pumping speed at the suction opening can be over the entire pressure range can be used optimally, because the print compatibility can be designed so that that of the preceding pump unit or -stage of gas delivered from the next pumping unit or stage without loss is taken over.
  • the vacuum pump shown houses three pump units in a housing 1 14, 16, 18.
  • the housing has a gas inlet opening 2 and a gas outlet opening 4 provided.
  • the pump units consist of rotating and fixed ones gas-producing components.
  • the rotating components are on a shaft 6 in the axial Direction attached in a row.
  • a drive system is required to operate the shaft 8 and bearing elements 10 and 12.
  • the fixed components are with the housing 1 connected.
  • the pump unit 14 facing the gas inlet opening is a turbomolecular pump educated.
  • the pump unit 16 following in the direction of the gas flow consists of a plurality of subunits 16a, 16b and 16c. These each have one or more Molecular pump stages of the Gaede type, hereinafter referred to as Gaede stages, on.
  • the gate stages are connected in parallel within the subunits. This means that connecting elements 34a for the subunit 16a or 34b for the sub-unit 16b the input sides and on the other side the output sides of the gate stages so that a parallel gas flow in the individual subunits is made possible.
  • the subunit 16a from four parallel pumping stages, the subunit 16b from two parallel pumping stages and the subunit 16c from two individual, series-connected stages.
  • the subunits are through fasteners 36a, 36b and 36c joined together so that the output side one subunit with the input side of the following subunit connected is.
  • the pump unit facing the gas outlet opening is multi-stage Side channel pump trained.
  • the pump units 14 and 16 are via connection channels 32 and the pump units 16 and 18 interconnected in series as connecting channels 38 Subunits 16a, 16b, 16c. Via a line 42, the pump unit 18 is connected to the Gas outlet port connected.
  • the amount of gas sucked in on the high vacuum side via the gas inlet opening 2 is compressed by the turbomolecular pump unit 14 and via the connecting lines 32 continues to the second pump unit 16.
  • the first sub-unit 16a consists of four levels, which work in parallel to further funding take. Because several gate stages are connected in parallel, the total amount of gas delivered and compressed by the turbomolecular pump become. The amount of gas is further compressed in subunit 16a, so that two parallel gate levels are sufficient for the second subunit 16b, to continue to pump and compress the entire amount of gas until finally a level of subdivision 16c is sufficient for the promotion.
  • the to the last channel stage connecting side channel pump can now the amount of gas without Promote loss further and compress to high pressure.
  • the combination of the pump units can vary depending on the application and vacuum technology Requirements vary. So only one combination can be used for some applications a turbomolecular pump with the pump unit 16, consisting of gaed stages, be enough. For other applications, a combination of Gaesteeufen and side channel pump meet the requirements.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vakuumpumpe, bestehend aus mehreren Pumpeinheiten (14, 16, 18). Mindestens eine der Pumpeinheiten besteht aus parallel geschalteten Molekularpumpstufen (16a) nach der Bauart von Gaede. Dabei kann eine solche Pumpeinheit aus mehreren Untereinheiten (16a, 16b, 16c) zusammengesetzt sein, welche aus jeweils einzelnen (16c) oder parallel geschalteten (16a, 16b) Gaedepumpstufen bestehen. Die hochvakuumseitige Pumpeinheit (14) kann beispielsweise als Turbomolekularpumpe und die der Seite mit hohem Druck zugewandte Pumpeinheit (18) als Seitenkanalpumpe ausgebildet sein. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe zur Förderung von Gasen und zur Erzeugung von Hochvakuum nach dem Oberbegriff des 1. Patentanspruches.
Zur Erzeugung von Hochvakuum sind Kombinationen von verschiedenen Typen von Vakuumpumpen notwendig, da der weite Druckbereich zwischen Atmosphärendruck und Hochvakuumdruck mehrere Strömungsgebiete umfasst, in denen die physikalischen Eigenschaften von Zuständen und Strömungen der Gase jeweils anderen Gesetzen unterworfen sind.
Seither wurden zur Erzeugung von Hochvakuum mindestens zwei Vakuumpumpen unterschiedlicher Bauart und Arbeitsweise zu einem Pumpstand zusammengefügt. Bewährt haben sich zum Beispiel Pumpstände, bestehend aus einer Turbomolekularpumpe als Hochvakuumpumpe und einer Drehschieberpumpe, welche gegen Atmosphärendruck ausstößt. Pumpstände, bestehend aus mindestens zwei Vakuumpumpen, welche zum Erzielen der geforderten vakuumtechnischen Größen, wie Druckverhältnis und Saugvermögen notwendig sind, weisen den Nachteil auf, dass sie aufwendig sind und einen großen Platzbedarf haben. Jede Pumpe erfordert ein eigenes Antriebssystem mit Stromversorgung, -überwachung und ―regelung sowie ein eigenes Lagersystem. Verbindungsleitungen zwischen den Pumpen mit Ventilen und Regeleinrichtungen vergrößern den Aufwand.
Besonders geeignet zur Erzeugung von Hoch- und Ultrahochvakuum zum Einsatz in weiten Gebieten der Technik sind Turbomolekularpumpen. Ihr Einsatzgebiet ist jedoch nach höheren Drücken hin begrenzt, da sie aufgrund ihrer Arbeitsweise nur bei niedrigen Drücken bis etwa 10-3 mbar voll wirksam sind.
Im hohen Druckbereich bis hin zu Atmosphärendruck können Seitenkanalpumpen in mehrstufiger Bauweise eingesetzt werden. Sie lassen sich gut mit Turbomolekularpumpen und auch mit Molekularpumpen anderer Bauarten kombinieren. Die Rotorteile beider Pumpen können auf einer Welle untergebracht werden, so dass beide eine Baueinheit bilden.
Der Übergang von einer Turbomolekularpumpstufe oder einer anderen Molekularpumpstufe zur Seitenkanalpumpstufe lässt sich jedoch vakuumtechnisch nicht lükkenlos vollziehen. Die Kompression einer Turbomolekularpumpstufe nimmt nach höherem Druck hin ab, und die Kompression einer Seitenkanalpumpstufe wird mit niedrigerem Druck geringer. Die Arbeitsbereiche beider Pumpen überschneiden sich praktisch leider nicht.
Die fehlende Kompression könnte in diesem Gebiet mit Gaedestufen bewirkt werden. Diese haben jedoch im Vergleich zu Turbomolekularpumpstufen ein äußerst geringes Saugvermögen. Dadurch kann das von der letzten Stufe der Turbomolekularpumpe abgegebene Gasvolumen nur zu einem geringen Teil weiter gefördert werden, wodurch das Gesamtsaugvermögen der Pumpkombination erheblich verringert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumpumpe zu entwickeln, welche den gesamten Druckbereich von Atmosphärendruck bis zum Hoch- und Ultrahochvakuumbereich umfasst. Die Pumpe soll aus einem Stück bestehen und einen kompakten Aufbau aufweisen, so dass die oben beschriebenen Nachteile, welche Pumpständen anhaften, die aus mehreren Pumpen bestehen, vermieden werden. Weiterhin soll sie ein ausreichend hohes Druckverhältnis und Saugvermögen aufweisen, um den Anforderungen im praktischen Einsatz gerecht zu werden. Eine zuverlässige und sichere Betriebweise ist eine der Grundvoraussetzungen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. Patentanspruchs gelöst. Die Ansprüche 2 ― 4 stellen weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, durch die Parallelschaltung von Gaedepumpstufen eine kompakte Vakuumpumpe vorzustellen, welche dazu geeignet ist, den gesamten Druckbereich von Atmosphärendruck bis zum Hoch- oder Ultrahochvakuumbereich abzudecken. Mit der Kombination von kleinen Pumpeinheiten, insbesondere durch die Verwendung von parallel und in Serie geschalteten Gaedepumpstufen, werden optimale Pumpeigenschaften und eine effektive Arbeitsweise erreicht. Das an der Ansaugöffnung anstehende Saugvermögen kann über den gesamten Druckbereich optimal ausgenutzt werden, da die Druckverträglichkeit so gestaltet werden kann, dass die von der jeweils vorangehenden Pumpeinheit oder -stufe geförderte Gasmenge von der nächsten Pumpeinheit oder -stufe ohne Verlust übernommen wird. Besonders deutlich werden die Vorteile, wenn die parallel pumpenden Gaedestufen mit einer Turbomolekularpumpe oder mit einer Seitenkanalpumpe oder mit beiden kombiniert wird.
Anhand der Abbildung soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden.
Die dargestellte Vakuumpumpe beherbergt in einem Gehäuse 1 drei Pumpeinheiten 14, 16, 18. Das Gehäuse ist mit einer Gaseintrittsöffnung 2 und einer Gasauslassöffnung 4 versehen. Die Pumpeinheiten bestehen aus rotierenden und feststehenden gasfördernden Bauteilen. Die rotierenden Bauteile sind auf einer Welle 6 in axialer Richtung hintereinander angebracht. Zum Betrieb der Welle gehört ein Antriebssystem 8 und Lagerelemente 10 und 12. Die feststehenden Bauteile sind mit dem Gehäuse 1 verbunden.
Die der Gaseintrittsöffnung zugewandte Pumpeinheit 14 ist als Turbomolekularpumpe ausgebildet. Die in Richtung Gasströmung folgende Pumpeinheit 16 besteht aus mehreren Untereinheiten 16a, 16b und 16c. Diese weisen jeweils eine oder mehrere Molekularpumpstufen nach der Bauart von Gaede, im folgenden Gaedestufen genannt, auf. Innerhalb der Untereinheiten sind die Gaedestufen parallel geschaltet. Dies bedeutet, dass Verbindungselemente 34a für die Untereinheit 16a bzw. 34b für die Untereinheit 16b die Eingangsseiten und auf der anderen Seite die Ausgangsseiten der Gaedestufen so zusammenschließen, dass eine parallele Gasführung in den einzelnen Untereinheiten ermöglicht wird. So bestehen in dem vorliegenden Beispiel die Untereinheit 16a aus vier parallel pumpenden Gaedestufen, die Untereinheit 16b aus zwei parallel pumpenden Gaedestufen und die Untereinheit 16c aus zwei einzelnen, in Serie geschalteten Gaedestufen. Die Untereinheiten sind durch Verbindungselemente 36a, 36b und 36c so zusammengeschlossen, dass jeweils die Ausgangsseite der einen Untereinheit mit der Eingangsseite der folgenden Untereinheit verbunden ist. Die der Gasauslassöffnung zugewandte Pumpeinheit ist als mehrstufige Seitenkanalpumpe ausgebildet.
Die Pumpeinheiten 14 und 16 sind über Verbindungskanäle 32 und die Pumpeinheiten 16 und 18 über Verbindungskanäle 38 so in Serie zusammengeschlossen wie die Untereinheiten 16a, 16b, 16c. Über eine Leitung 42 ist die Pumpeinheit 18 mit der Gasauslassöffnung verbunden.
Die auf der Hochvakuumseite über die Gaseintrittsöffnung 2 angesaugte Gasmenge wird durch die Turbomolekularpumpeinheit 14 verdichtet und über die Verbindungsleitungen 32 weitergeführt zu der zweiten Pumpeinheit 16. Die erste Untereinheit 16a besteht aus vier Gaedestufen, die in paralleler Arbeitsweise die Weiterförderung übernehmen. Dadurch, dass mehrere Gaedestufen parallel geschaltet sind, kann die gesamte, von der Turbomolekularpumpe geförderte und verdichtete Gasmenge aufgenommen werden. In der Untereinheit 16a wird die Gasmenge weiter verdichtet, so dass für die zweite Untereinheit 16b zwei parallele Gaedestufen ausreichend sind, um die gesamte Gasmenge weiter zu fördern und weiter zu verdichten, bis schließlich eine Gaedestufe als Untereinheit 16c für die Förderung ausreicht. Die an die letzte Gaedestufe anschließende Seitenkanalpumpe kann jetzt die Gasmenge ohne Verlust weiter fördern und bis zu hohem Druck verdichten.
Die Kombination der Pumpeinheiten kann je nach Einsatzgebiet und vakuumtechnischen Erfordernissen variieren. So kann für manche Anwendungen nur eine Kombination einer Turbomolekularpumpe mit der Pumpeinheit 16, bestehend aus Gaedestufen, ausreichend sein. Für andere Anwendungen kann eine Kombination aus Gaedestufen und Seitenkanalpumpe die Erfordernisse erfüllen.

Claims (4)

  1. Vakuumpumpe, bestehend aus mehreren Pumpeinheiten (14, 16, 18), welche in einem Gehäuse (1) mit Gäseinlassöffnung (2) und Gasauslassöffnung (4) untergebracht sind, wobei die Pumpeinheiten aus rotierenden und feststehenden gasfördernden Bauteilen gebildet werden und die rotierenden Bauteile auf einer Welle (6) mit Antriebsanordnung (8) und Lagerelementen (10, 12) angebracht sind und die feststehenden Bauteile mit dem Gehäuse (1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Pumpeinheiten (16) aus mehreren parallel geschalteten Molekularpumpstufen (16a) nach der Bauart von Gaede besteht, wobei die Molekularpumpstufen (16a) in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind und durch gemeinsame Verbindungskanäle (34) so miteinander verbunden sind, dass eine parallele Förderung bewirkt wird.
  2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pumpeinheiten (16a, 16b, 16c), welche aus einer oder mehreren parallel geschalteten Pumpstufen nach der Bauart von Gaede bestehen, hintereinander geschaltet sind.
  3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der Gaseintrittsöffnung (2) zugewandte Pumpeinheit eine Turbomolekularpumpe ist.
  4. Vakuumpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Gasauslassöffnung (4) zugewandte Pumpeinheit (18) eine Seitenkanalpumpe ist.
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