EP1669608A2 - Vakuumpumpe - Google Patents

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EP1669608A2
EP1669608A2 EP05024152A EP05024152A EP1669608A2 EP 1669608 A2 EP1669608 A2 EP 1669608A2 EP 05024152 A EP05024152 A EP 05024152A EP 05024152 A EP05024152 A EP 05024152A EP 1669608 A2 EP1669608 A2 EP 1669608A2
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EP
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pump
component
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Frank Klabunde
Tobias Stoll
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Pfeiffer Vacuum GmbH
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    • F04D29/701—Suction grids; Strainers; Dust separation; Cleaning especially adapted for elastic fluid pumps
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/507—Magnetic properties

Definitions

  • the invention relates to a shatter protection for use with a vacuum pump with fast rotating rotor.
  • Vacuum pumps with high-speed rotors are very successful in the generation of high and ultra-high vacuum.
  • a very common design is the turbomolecular pump, also called turbopump. In them are provided with blades rotor and stator discs alternately, the rotor usually moves at speeds between 100 Hz and 1000 Hz. If such vacuum pumps are used in environments with high magnetic fields, eddy currents occur in the rotor. This effect, on the one hand, a heating of the rotor and thus a longitudinal expansion. This is critical in the required small gaps of the pump, it can come to a touch of rotor and stator. On the other hand, the eddy currents cause a deceleration of the rotor and thus a higher power consumption of the drive.
  • the reverse case is also problematic:
  • the fast rotating rotors of vacuum pumps are often stored magnetically, ie magnetic forces support the rotor without mechanical contact.
  • the magnetic fields generated in these magnetic bearings are not limited in their spatial extent to the space of the bearing itself. Magnetic field lines can emerge through the suction opening of the pump and thus cause disturbances to the devices in front of it.
  • Such devices can be, for example, electron microscopes in which the stray fields of the magnetic bearing can lead to a deflection of the electron beam and thus to a loss of resolution. Due to the ever higher sensitivity and required better resolution, this beam deflection is tolerable to a lesser extent.
  • the solutions proposed in the prior art have several disadvantages:
  • the solution of the housing shield leads to insufficient results, the additional shielding of the rotor shaft turns out to be difficult to manufacture.
  • the proposed choice of material is extremely expensive and unsuitable for a wide application in large numbers.
  • the task of the inventor was to achieve a greatly improved magnetic decoupling of the interior of the pump from its surroundings, without having to take expensive measures and thus to remain overall cost-effective.
  • the object is achieved by the characterizing features of the first claim.
  • the features of the dependent claims 2 to 11 represent advantageous developments of the invention.
  • the splinter protection according to the invention serves not only to protect the pump from foreign bodies by the choice of the material, but also shields the pump from magnetic fields that enter through the intake, and on the other hand prevents the emergence of stray fields from the pump, which can be generated for example by magnetic bearings , This makes it possible to completely shield the fast rotating rotor of the vacuum pump in interaction with the pump housing from magnetic fields and to suppress the formation of eddy currents in it as far as possible. Through the hit Measure makes it possible to shield an existing pump, so even after their preparation to make the adjustment to a location with high magnetic fields.
  • the splinter protection according to the invention it is also possible to prevent leakage of magnetic stray fields generated by the magnetic bearings from the pump. Since only a small amount of material is necessary to cover the suction opening of the vacuum pump, this solution is relatively inexpensive, especially compared to the production of a complete rotor made of special material.
  • the effectiveness of the magnetic separation of the interior spaces of the vacuum pump and vacuum chamber can be improved, in particular, if the splinter protection additionally has a layer of electrically highly conductive material. This increases the separation effect for dynamic, ie temporally variable, magnetic fields.
  • FIG. 2 shows a very simple embodiment of the splinter protection, wherein only the region indicated by dashed lines in FIG. 1 is shown in the vicinity of the flange 5 of the vacuum pump.
  • the reticulated component 4 is designed so that it can be inserted into the opening of the vacuum pump and thus covers it. This reduces the number of components required and avoids the need for additional space between the vacuum pump and the vacuum chamber.
  • the net-like component also has a layer (20) which is electrically conductive. This can be, for example, copper. This results in a better separation of the time-varying magnetic fields (dynamic fields).
  • This structure is produced for example by a sandwich construction of mu-metal and copper foil. After joining these layers, the hole structures are introduced.
  • the shielding properties against magnetic fields depend on the thickness of the material and its relative permeability ⁇ r .
  • a material with a high relative permeability ⁇ r is used according to the invention.
  • the component can be made thinner than with material such as steel.
  • a further reduction in component thickness can be achieved by using a material with a ⁇ r greater than 10,000.
  • the component 4 is made of a material having a relative permeability ⁇ r , of more than 25,000. This high permeability makes it possible to produce the component 4 with low axial strength and thus to keep conductance losses for the gas to be pumped low.
  • the metal known under the trade name "Mu-Metal” is used.
  • the name Mu derives from “magnetic field impermeable”. This metal is based on an alloy of nickel and iron.
  • nickel-iron alloys can be used, wherein the proportion of nickel is at least 70% and the proportion of iron is at least 10%.
  • the surfaces 7, 8 and 16 which come into contact with the vacuum pump 2 when splinter protection 1 is connected, have a defined and constant coefficient of friction. This makes it possible, even after repeated assembly and disassembly to ensure a secure connection of the splinter protection with the vacuum pump.
  • surfaces (7, 8, 16) may be provided with a coating which has a defined and constant coefficient of friction.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Splitterschutz zur Verwendung mit einer Vakuumpumpe, mit der ihr vom Außenraum magnetisch entkoppelt wird. Es wird vorgeschlagen, ein die Öffnung des Ansaugflansches Bauteil des Splitterschutzes aus einem Material mit hoher relativer Permeabilitätszahl µr zu fertigen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Splitterschutz zur Verwendung mit einer Vakuumpumpe mit schnelldrehendem Rotor.
  • Vakuumpumpen mit schnelldrehenden Rotoren sind sehr erfolgreich in der Erzeugung von Hoch- und Ultrahochvakuum. Eine sehr gängige Bauform ist die Turbomolekularpumpe, auch Turbopumpe genannt. In ihnen sind mit Schaufeln versehene Rotor- und Statorscheiben abwechselnd angeordnet, wobei sich der Rotor meist mit Drehzahlen zwischen 100 Hz und 1000 Hz bewegt.
    Werden solche Vakuumpumpen in Umgebungen mit hohen Magnetfeldern eingesetzt, entstehen Wirbelströme im Rotor. Diese Bewirken zum Einen eine Erwärmung des Rotors und damit eine Längenausdehnung. Dies ist bei den erforderlichen geringen Spaltmaßen der Pumpen kritisch, es kann zu einer Berührung von Rotor und Stator kommen. Zum anderen bewirken die Wirbelströme eine Abbremsung des Rotors und damit verbunden eine höhere Leistungsaufnahme des Antriebes.
    Auch der umgekehrte Fall ist problematisch: Die schnelldrehenden Rotoren von Vakuumpumpen werden oftmals magnetisch gelagert, d.h. magnetische Kräfte stützen den Rotor ohne mechanische Berührung ab. Die in diesen Magnetlager erzeugten magnetischen Felder sind in ihrer räumlichen Ausdehnung nicht auf den Raum des Lagers selbst beschränkt. Magnetfeldlinien können durch die Ansaugöffnung der Pumpe heraustreten und damit Störungen der davor befindlichen Geräte bewirken. Solche Geräte können beispielsweise Elektronenmikroskope sein, in denen die Streufelder des Magnetlagers zu einer Ablenkung des Elektronenstrahls und damit zu einem Auflösungsverlust führen können. Aufgrund der immer höheren Empfindlichkeit und geforderten besseren Auflösung ist diese Strahlablenkung in geringerem Maße tolerierbar.
  • Im Stand der Technik ist versucht worden, diese Probleme mit einer Abschirmung des Gehäuses der Pumpe und der Rotorwelle zu lösen [Z. Vakuum-Technik, 27. Jahrgang, Heft 1, Seite 6 bis 8].
    Eine andere Lösung schlägt die Patentschrift DE-PS 35 31 942 vor. Diese Lösung möchte die Wirbelströme unterdrücken, indem der Rotor und seine Bestandteile aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand von 10-4 Ωm oder mehr besitzen. Insbesondere Siliziumnitrid wird als Material empfohlen.
  • Die im Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen weisen mehrere Nachteile auf: Die Lösung der Gehäuseabschirmung führt zu nicht ausreichenden Ergebnissen, die zusätzliche Abschirmung der Rotorwelle stellt sich als fertigungstechnisch schwierig heraus. Die vorgeschlagenen Materialwahl ist extrem teuer und für eine breite Anwendung mit großen Stückzahlen ungeeignet.
  • Aufgabe des Erfinders war es, eine stark verbesserte magnetische Entkopplung des Inneren der Pumpe von ihrer Umgebung zu erzielen, ohne aufwändige Maßnahmen ergreifen zu müssen und damit insgesamt kostengünstig zu bleiben.
  • Gelöst wird Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruches. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche 2 bis 11 stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
    Der erfindungsgemäße Splitterschutz dient durch die Wahl des Werkstoffes nicht nur zum Schutz der Pumpe vor Fremdkörpern, sondern schirmt zugleich die Pumpe vor Magnetfeldern, die durch die Ansaugöffnung eintreten, und verhindert andererseits das Heraustreten von Streufeldern aus der Pumpe, welche beispielsweise durch Magnetlager erzeugt werden können. Damit wird es möglich, den schnelldrehenden Rotor der Vakuumpumpe im Zusammenspiel mit dem Pumpengehäuse rundum vor Magnetfeldern abzuschirmen und die Ausbildung von Wirbelströmen in ihm weitestgehend zu unterdrücken. Durch die getroffene Maßnahme wird es möglich, eine existierende Pumpe abzuschirmen, also auch nach ihrer Herstellung noch die Anpassung an einen Standort mit hohen Magnetfeldern vorzunehmen. Mit dem erfindungsgemäßen Splitterschutz ist es zudem möglich, ein Austreten der durch die Magnetlager erzeugten magnetischen Streufelder aus der Pumpe zu verhindern. Da nur eine geringe Menge Material notwendig ist, die Ansaugöffnung der Vakuumpumpe zu bedecken, ist diese Lösung vergleichsweise kostengünstig, insbesondere gegenüber der Herstellung eines kompletten Rotors aus speziellem Material.
    Die Wirksamkeit der magnetischen Trennung der Innenräume von Vakuumpumpe und Vakuumkammer kann insbesondere verbessert werden, wenn der Splitterschutz zusätzlich eine Schicht aus elektrisch gut leitendem Material aufweist. Dies erhöht die Trennwirkung für dynamische, also zeitlich variable, Magnetfelder.
  • Die Erfindung soll anhand der Figuren näher erläutert werden.
    • Fig. 1:
    Flansch einer Vakuumkammer, Vakuumpumpe, Splitterschutz und Klammerschraube im Schnitt
    Fig. 2:
    Einfache Ausführungsform des Splitterschutzes als Ausschnitt
    Die Figur 1 zeigt den Flansch einer Vakuumkammer, eine Vakuumpumpe, den erfindungsgemäßen Splitterschutz und eine der zur Befestigung notwenigen Klammerschrauben im Schnitt. Der Splitterschutz 1 umfasst als Bauteile den Zentrierring 6 und das netzartige Bauteil 4, das die Öffnung des Ansaugflansches 5 abdeckt, sobald der Splitterschutz mit der Vakuumpumpe verbunden wird. Er kann mit dem Ansaugflansch 5 der Vakuumpumpe 2 verbunden werden. Innerhalb der Vakuumpumpe ist ein schnelldrehender Rotor 3 angeordnet. Auf diesem sitzen Flügel 10, die am Gehäuse angebrachten Flügeln 11 gegenüberstehen. Gelagert ist der Rotor in diesem Beispiel durch ein Magnetlager, welches aus den Magneten 17 aufgebaut ist. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um ein passives Magnetlager, auch aktive Magnetlager sind denkbar. Durch die Drehung des Rotors 3 wird eine Pumpwirkung erzeugt. Vakuumpumpe 2 und Splitterschutz 1 werden mit Flansch 15, der beispielsweise zu einer Vakuumkammer gehört, verbunden und dann durch geeignete Mittel, beispielsweise Klammerschrauben 18, fixiert. Um den Splitterschutz kann ein Elastomerring 12 gelegt sein, der abdichtend wirkt und von einem äußeren Ring 9 gestützt werden kann.
  • Die Figur 2 zeigt eine sehr einfache Ausführungsform des Splitterschutzes, wobei nur der in Figur 1 gestrichelt gekennzeichnete Bereich in der Umgebung des Flansches 5 der Vakuumpumpe dargestellt ist. Das netzartige Bauteil 4 ist so gestaltet, dass es in die Öffnung der Vakuumpumpe eingelegt werden kann und so diese abdeckt. So wird die Zahl der notwendigen Bauteile reduziert und zusätzlicher Raumbedarf zwischen Vakuumpumpe und Vakuumkammer vermieden. Das netzartige Bauteil weist zudem eine Schicht (20) auf, die elektrisch gut leitend ist. dies kann beispielsweise Kupfer sein. Hierdurch erfolgt eine bessere Abtrennung der zeitlich veränderlichen magnetischen Felder (dynamischen Felder). Hergestellt wird diese Struktur beispielsweise durch einen Sandwichaufbau aus Mu-Metall- und Kupferfolie. Nach dem Verbinden dieser Schichten werden die Lochstrukturen eingebracht.
  • Die Abschirmeigenschaften gegen Magnetfelder hängen von der Dicke des Materials und seiner relativen Permeabilitätszahl µr ab. Um gleichzeitig das Bauteil 4 dünn (typisch sind einige Zehntel Millimeter) halten zu können, wird erfindungsgemäß ein Material mit einer hohen relativen Permeabilitätszahl µr verwendet. Bereits mit einem µr von mehr als 1000 kann das Bauteil dünner gestaltet werden als mit Material wie Stahl.
  • Eine weitere Reduzierung der Bauteilstärke kann erreicht werden, in dem ein Material mit einem µr von mehr als 10000 verwendet wird.
  • In einer vorteilhaften Ausführung ist das Bauteil 4 aus einem Material mit einer relativen Permeabilität µr, von mehr als 25000 hergestellt. Dies hohe Permeabilität erlaubt es, das Bauteil 4 mit geringer axialer Stärke zu fertigen und damit Leitwertverluste für das abzupumpende Gas gering zu halten.
  • In einer Ausführung wird das unter dem Handelsnamen "Mu-Metall" bekannte Metall verwendet. Die Bezeichnung Mu leitet sich ab aus "Magnetfeld undurchlässig". Dieses Metall basiert auf einer Legierung aus Nickel und Eisen.
  • Auch andere Nickel-Eisen-Legierungen können eingesetzt werden, wobei der Anteil von Nickel mindestens 70% und der Anteil von Eisen mindestens 10% beträgt.
  • In einer vorteilhaften Ausführung weisen die Oberflächen 7, 8 und 16, die beim Verbinden von Splitterschutz 1 mit der Vakuumpumpe 2 in Berührung kommen, eine definierte und gleichbleibende Reibungszahl auf. Damit ist es möglich, auch nach oftmaligem Montieren und Demontieren eine sichere Verbindung des Splitterschutzes mit der Vakuumpumpe zu gewährleisten. Darüber hinaus können Oberflächen (7, 8, 16) mit einer Beschichtung versehen sein, welche eine definierte und gleichbleibende Reibungszahl aufweist.
  • Gerade bei Molekularvakuumpumpen (z.B. Holweckpumpen) und speziell Turbomolekularvakuumpumpen sind hohe Drehzahlen des Rotors bei sehr geringen Spaltmaßen erforderlich. Oftmals kommen Magnetlager zum Einsatz. Hier erweist sich der erfindungsgemäße Splitterschutz als vorteilhaft.

Claims (11)

  1. Splitterschutz (1) verbindbar mit dem Ansaugflansch (5) einer Vakuumpumpe (2) mit schnelldrehendem Rotor (3), wobei wenigstens ein die Öffnung des Ansaugflansches (5) der Vakuumpumpe abdeckendes Bauteil (4) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil (4) aus einem Material mit einer relativen Permeabilitätszahl µr größer als 1000 hergestellt ist.
  2. Splitterschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Zentrierring (6) aufweist.
  3. Splitterschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (4) aus einem Material mit einer relativen Permeabilitätszahl µr größer als 10000 hergestellt ist.
  4. Splitterschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (4) aus einem Material mit einer relativen Permeabilitätszahl µr größer als 25000 hergestellt ist.
  5. Splitterschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Legierung ist, die Nickel mit mindestens 70% Anteilen und Eisen mit mindestens 10% Anteilen enthält.
  6. Splitterschutz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Mu-Metall ist.
  7. Splitterschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Öffnung abdeckende Bauteil (4) eine Schicht (20) aus elektrisch gut leitendem Material aufweist.
  8. Splitterschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen (7, 8, 16) eine definierte und gleichbleibende Reibungszahl aufweisen.
  9. Splitterschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen (7, 8, 16) mit einer Beschichtung versehen sind, welche eine definierte und gleichbleibende Reibungszahl aufweist.
  10. Splitterschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vakuumpumpe eine Molekularpumpe ist.
  11. Splitterschutz nach Anspruch 9, wobei die Molekularpumpe eine Turbomolekularpumpe ist.
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