EP2772650B1

EP2772650B1 - Vakuumpumpe

Info

Publication number: EP2772650B1
Application number: EP14153982.5A
Authority: EP
Inventors: Michael Schill
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: EP2772650A2; JP5859041B2; CN104019041B; US9964121B2; EP2772650A3; US20140241853A1; DE102013203421A1; CN104019041A; JP2014169697A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe, eine Anordnung mit einer Vakuumpumpe, insbesondere mit einer Turbomolekularpumpe, und ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularpumpe.
Vakuumpumpen werden in verschiedenen technischen Verfahren wie zum Beispiel bei der Halbleiterherstellung eingesetzt, um ein zu pumpendes Gas, welches auch als Pumpgas bezeichnet wird, aus einem zu evakuierenden Volumen abzufördern und ein für das jeweilige technische Verfahren notwendiges Vakuum zu erzeugen. Besondere Bedeutung kommt dabei Turbomolekularpumpen zu, die mit hohen Drehzahlen betrieben werden und in der Lage sind, ein Vakuum mit hoher Reinheit zu erzeugen.
Bei dem Betrieb der bekannten Vakuumpumpen tritt eine erhebliche Erwärmung der Vakuumpumpen auf, welche die Pumpeigenschaften und das Leistungsverhalten der Vakuumpumpe verschlechtert, die Wartungsanfälligkeit der Vakuumpumpe erhöht und deren Betriebslebensdauer reduziert. Es ist bekannt, eine Vakuumpumpe mit einer Kühleinrichtung auszustatten, um eine übermäßige Erwärmung der Vakuumpumpe zu vermeiden.
Bekannte Kühleinrichtungen wie zum Beispiel Wasserkühlungen oder Luftkühlungen, deren Kühlwirkung auf dem Umströmen warmer Pumpenkomponenten oder daran angebrachter Kühlkörper mit Luft basiert, sind relativ aufwändig und weisen eine begrenzte Wirksamkeit auf. Insbesondere ist es mit den bekannten Kühleinrichtungen nur schwer möglich, Bereiche der Pumpe, die sich besonders stark erwärmen und zum Beispiel im unteren Bereich der Pumpe angeordnet sind, lokal gezielt derart zu kühlen, dass sich überall gewünschte Temperaturverhältnisse einstellen. Somit tritt auch bei den auf diese Weise gekühlten Vakuumpumpen eine übermäßige Erwärmung auf, welche die Pump- und Leistungseigenschaften der Vakuumpumpe verschlechtert und deren Lebensdauer herabsetzt. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vakuumpumpe, eine Anordnung mit einer Vakuumpumpe und ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe anzugeben, mit denen sich mit verringertem Aufwand eine verbesserte Pumpleistung und Betriebslebensdauer der Vakuumpumpe erreichen lässt und mit denen insbesondere eine wirksame und ausreichende Kühlung in allen Bereichen der Vakuumpumpe geschaffen wird, so dass die Vakuumpumpe überall wirksam vor einer übermäßigen Erwärmung während des Betriebs geschützt ist.
In der JP 2002 039092 A ist eine Vakuumpumpe mit einem Pumpeneinlass, einem Pumpenauslass und einem zwischen diesen angeordneten Pumpenraum für ein zu pumpendes Gas beschrieben, welche einen Kühlgaseinlass für ein Kühlgas zur Kühlung der Vakuumpumpe und einen Hohlbereich aufweist, der mit dem Kühlgaseinlass gasleitend verbunden und außerhalb des Pumpenraums angeordnet ist.
Die US 6 019 581 A und WO89/06319 Abeschreiben ähnliche Vakuumpumpen.
Die Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, umfasst einen Pumpeneinlass, einen Pumpenauslass und einen zwischen dem Pumpeneinlass und dem Pumpenauslass angeordneten Pumpenraum für ein zu pumpendes Gas. Die Vakuumpumpe umfasst ferner zumindest einen Kühlgaseinlass für ein Kühlgas zur Kühlung der Vakuumpumpe und einen oder mehrere mit dem Kühlgaseinlass gasleitend verbundene und außerhalb des Pumpenraums angeordnete Hohlbereiche für das Kühlgas, wobei der oder jeder Hohlbereich durch wenigstens eine Komponente der Vakuumpumpe begrenzt ist.
Über den Kühlgaseinlass wird bei dem Betrieb der Vakuumpumpe Kühlgas unmittelbar in die im Inneren der Vakuumpumpe angeordneten Hohlbereiche eingelassen, so dass die Vakuumpumpe und die zu kühlenden Komponenten, die den Hohlbereich begrenzen, unmittelbar im Bereich der größen Wärmeerzeugung lokal gezielt gekühlt werden. Dadurch, dass die für die Kühlung vorgesehenen Hohlbereiche von dem Pumpenraum der Vakuumpumpe getrennt sind, wird eine Beeinträchtigung der Pumpwirkung durch das Kühlgas ebenso vermieden wie eine Beeinträchtigung der Kühlwirkung durch das zu pumpende Gas, so dass eine effiziente Kühlung bei effizientem Pumpbetrieb gewährleistet ist.
Die Vakuumpumpe lässt sich mit sehr geringem Aufwand realisieren, da lediglich ein zusätzlicher Einlass für das Kühlgas und ein Hohlbereich oder mehrere Hohlbereiche für das Kühlgas vorzusehen sind. Als Kühlgas kann z.B. die Atmosphärenluft nutzbar sein, die an dem Kühlgaseinlass ansteht, so dass kein besonderes Kühlgas vorgesehen werden muss.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren beschrieben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein Hohlbereich und insbesondere jeder Hohlbereich gasleitend mit dem Pumpenauslass verbunden. Das an dem Kühlgaseinlass anstehende Kühlgas kann dann durch den Sog einer an dem Pumpenauslass angeschlossenen Vorvakuumpumpe in den Kühlgaseinlass eingesaugt und durch den Hohlbereich bzw. die Hohlbereiche hindurch gesaugt werden.
Eine Vorvakuumpumpe wird insbesondere bei Vakuumpumpen, die im hochreinen Vakuumbereich arbeiten, wie z.B. Turbomolekularpumpen, in der Regel ohnehin verwendet und kann dazu dienen, das in einen Vorvakuumbereich bzw. Vorvakuumraum der Vakuumpumpe geförderte Gas abzusaugen und dabei von einem in dem Vorvakuumbereich vorherrschenden Vorvakuumdruck auf einen höheren Druck, insbesondere auf Atmosphärendruck, zu verdichten. Der Vorvakuumbereich bildet dabei vorzugsweise den stromabwärtigen Abschluss des Pumpenraums. Der durch die Vorvakuumpumpe aufrecht erhaltene maximale Vorvakuumdruck kann so angepasst sein, dass die vorgelagerten Pumpstufen der Vakuumpumpe, die gegen den Vorvakuumdruck verdichten, im Bereich ihres optimalen Pumpverhaltens betrieben werden und dass an dem Pumpeneinlass minimale Enddrücke erzielt werden.
Bei Vorliegen einer gasleitenden Verbindung zwischen den ein oder mehreren Hohlbereichen und dem Pumpenauslass kann das Kühlgas durch den Sog der Vorvakuumpumpe durch den Kühlgaseinlass angesaugt und durch die Hohlbereiche gefördert werden, so dass ein definierter Kühlgasstrom und eine Zwangskühlung der Vakuumpumpe erreicht werden, ohne dass eine zusätzliche Fördereinrichtung für das Kühlgas notwendig ist. Der Hohlbereich oder jeder Hohlbereich kann dabei in einen stromaufwärts des Pumpenauslasses angeordneten Bereich, insbesondere einen Vorvakuumbereich, des Pumpenraums münden.
Angesichts der Saugleistungen von verfügbaren Vorvakuumpumpen wird trotz der Belastung der Vorvakuumpumpe mit dem Kühlgasstrom zusätzlich zu dem Pumpgasstrom eine gute Kühlwirkung erreicht, ohne dass der Vorvakuumdruck in der Vakuumpumpe und damit die Pumpleistung der Vakuumpumpe wesentlich beeinträchtigt werden.
Prinzipiell ist es bevorzugt, dass der durch den Kühlgaseinlass eintretende Kühlgasstrom regulierbar ist, zum Beispiel durch eine Einstellbarkeit des Strömungsquerschnitts des Kühlgaseinlasses. Der gewünschte Strömungsquerschnitt kann z.B. über eine Kapillare der Vakuumpumpe oder Ähnliches bestimmbar bzw. einstellbar sein. Der Kühlgasstrom lässt sich dann insbesondere auch im Falle einer gasleitenden Verbindung zwischen den Hohlbereichen und dem Pumpenauslass so einstellen, dass der Kühlgasstrom keine störende Beeinträchtigung der Pumpwirkung hervorruft.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Kühlgasauslass für das Kühlgas vorgesehen, mit dem zumindest ein Hohlbereich und insbesondere jeder Hohlbereich gasleitend verbunden ist. Die Gaskühlung kann dann im Wesentlichen unabhängig von dem in dem Pumpenraum stattfindenden Pumpvorgang realisiert sein und die Hohlbereiche können innerhalb der Vakuumpumpe vollständig von dem Pumpenraum getrennt sein. Das Kühlgas kann über den Kühlgaseinlass in die Vakuumpumpe eingelassen, durch die ein oder mehreren Hohlbereiche gefördert und an dem Kühlgasauslass aus der Vakuumpumpe ausgelassen werden.
Ein separater Kühlgasauslass hat den Vorteil, dass zwischen verschiedenen Vorkehrungen zur Förderung des Kühlgases durch den Hohlbereich ausgewählt werden kann. Zum Beispiel kann zur Erzeugung des Kühlgasstromes ein Kompressor an den Kühlgaseinlass angeschlossen werden, der das Kühlgas, zum Beispiel Atmosphärenluft, komprimiert und unter Druck in den Kühlgaseinlass fördert. Der Kühlgasauslass kann andererseits auch mit einer Vorvakuumpumpe verbunden werden, so dass die Förderung des Kühlgases durch den Sog der Vorvakuumpumpe bewerkstelligt wird. Dazu kann an dem Kühlgasauslass eine Gasleitung angeschlossen werden, die in einen Vorvakuumschlauch mündet, der den Pumpenauslass der Vakuumpumpe mit der Vorvakuumpumpe verbindet, so dass an dem Einlass der Vorvakuumpumpe der Gesamtgasstrom aus Pumpgasstrom und Kühlgasstrom eingeleitet wird. Die Gasleitung kann den Kühlgasauslass der Vakuumpumpe auch direkt mit der Vorvakuumpumpe verbinden und zum Beispiel direkt in einen Pumpenraum der Vorvakuumpumpe münden.
Bevorzugt ist zumindest ein Hohlbereich und insbesondere jeder Hohlbereich von dem Pumpenraum im Wesentlichen gasdicht getrennt. Dadurch können eine Erhöhung des in dem Pumpenraum vorhandenen Gasdrucks infolge des Kühlgasstromes und eine damit einhergehende Verschlechterung der Pumpleistung weitestgehend vermieden werden. Das in die Pumpe geförderte Kühlgas kann dabei z.B. durch einen wie vorstehend beschriebenen Kühlgasauslass abgefördert werden. Die gasdichte Trennung umfasst auch eine Ausgestaltung, bei der die Hohlbereiche und der Pumpenraum außerhalb der Vakuumpumpe und somit nur mittelbar gasleitend miteinander verbunden sind, z.B. über einen Vorvakuumschlauch einer das Pumpgas und das Kühlgas fördernden Vorvakuumpumpe.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein Hohlbereich und insbesondere jeder Hohlbereich stromabwärts sämtlicher zum Pumpen des in dem Pumpenraum vorhandenen Gases vorgesehenen Pumpstufen der Vakuumpumpe mit dem Pumpenraum oder mit dem Pumpenauslass gasleitend verbunden. Von den stromaufwärts davon angeordneten Bereichen des Pumpenraums ist der zumindest eine bzw. jeder Hohlbereich vorzugsweise gasdicht getrennt, d.h. der Hohlbereich ist ausschließlich stromabwärts sämtlicher Pumpstufen, z.B. im Bereich eines Vorvakuumbereichs, mit dem Pumpenraum oder dem Pumpenauslass gasleitend verbunden. Dadurch kann eine Beeinträchtigung der Pumpleistung durch das Kühlgas weitestgehend vermieden werden, da das in den stromabwärtigen Bereich des Pumpenraums bzw. in den Pumpenauslass gelangende Kühlgas z.B. direkt von einer an den Pumpenauslass angeschlossenen Vorvakuumpumpe abgefördert werden kann, ohne dass sich der Vorvakuumdruck wesentlich erhöht.
Als Pumpstufen sind z.B. eine oder mehrere molekulare und insbesondere turbomolekulare Pumpstufen vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich zu einer oder mehreren turbomolekularen Pumpstufen können, insbesondere stromabwärts der einen oder mehreren turbomolekularen Pumpstufen, eine oder mehrere Holweck-Pumpstufen, Siegbahn-Pumpstufen, Gaede-Pumpstufen oder Seitenkanalpumpstufen vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest ein Hohlbereich und insbesondere jeder Hohlbereich als Kanal ausgebildet. Gegenüber einem ausgedehnten Hohlbereich hat diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die erreichte Kühlwirkung durch eine entsprechende Kanalführung überall in der Vakuumpumpe örtlich gezielt und genau eingestellt werden kann. Zumindest ein Kanal und insbesondere jeder Kanal kann wenigstens über einen Teil seiner Länge und insbesondere über zumindest annähernd seine gesamte Länge eine längliche Form aufweisen und z.B. im Wesentlichen röhren- oder längsschlitz- bzw. längsspaltförmig ausgebildet sein.
Prinzipiell können mehrere Kanäle für das Kühlgas vorgesehen sein, welche mit dem Kühlgaseinlass oder miteinander gasleitend verbunden sein können. Dabei können mehrere Kanäle in Strömungsrichtung gasleitend in Serie oder parallel zueinander miteinander verbunden sein. Auch eine Ausgestaltung mit mehreren miteinander verästelten Kanälen ist möglich. Um überall in der Pumpe eine ausreichende Kühlwirkung zu erzielen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass zumindest ein Kanal oder mehrere Kanäle zusammen genommen eine Länge aufweisen, die wenigstens dem halben und vorzugsweise wenigstens dem einfachen, zweifachen oder dreifachen Strömungsdurchmesser eines den Pumpeneinlass bildenden Ansaugflansches der Vakuumpumpe entspricht.
Bevorzugt verläuft zumindest ein Kanal und insbesondere jeder Kanal im Wesentlichen ringförmig, insbesondere kreisringförmig, oder ringsegmentförmig, insbesondere kreisringsegmentförmig, um eine Rotationsachse der Vakuumpumpe herum. Die Vakuumpumpe kann prinzipiell zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch zu der Rotationsachse ausgebildet sein, um die z.B. die rotierenden Komponenten der Pumpstufen rotieren. In diesem Fall lässt sich durch einen ringförmigen Kanal in der gesamten Vakuumpumpe eine ausreichende und gleichmäßige Kühlwirkung erreichen. Dazu können zumindest ein Kanal oder mehrere Kanäle zusammen wenigstens 50 %, bevorzugt wenigstens 75 % und besonders bevorzugt zumindest näherungsweise den gesamten relativ zu der Rotationsachse der Vakuumpumpe definierten Winkelbereich abdecken.
Der jeweilige Kanal kann über einen Teil seiner Länge oder zumindest annähernd seine gesamte Länge einen radialen Abstand von der Rotationsachse aufweisen und kann z.B. in dem Abstandsbereich angeordnet sein, welcher von dem halben zu dem ganzen Außendurchmesser der Vorvakuumpumpe reicht. Der jeweilige Kanal kann beispielsweise die Form eines Ringspalts, eines Ringschlitzes, einer Ringröhre oder eines Segments einer entsprechenden Ringform aufweisen.
Um überall eine ausreichende Kühlung der Vakuumpumpe zu erreichen, können zumindest zwei Kanäle für das Kühlgas vorgesehen sein, welche insbesondere in unterschiedlichen Richtungen um die Rotationsachse der Vakuumpumpe herum verlaufen. Die Kanäle können dabei an einem ihrer Enden jeweils direkt gasleitend mit dem Kühlgaseinlass verbunden sein und/oder an ihrem anderen Ende jeweils gasleitend miteinander verbunden sein oder in einen gemeinsamen Bereich der Vakuumpumpe münden. Prinzipiell können auch mehrere in axialer Richtung, d.h. in Rotationsachsenrichtung, beabstandete Kanäle vorgesehen sein.
Prinzipiell kann ein Kanal zumindest abgesehen von etwaigen Abzweigungen zu weiteren Kanälen oder zu weiteren Hohlbereichen und zumindest über einen Teil seiner Länge und insbesondere über zumindest annähernd seine gesamte Länge einen geschlossenen Querschnitt senkrecht zu seiner Längserstreckung aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform bildet zumindest ein Kanal und insbesondere jeder Kanal wenigstens über einen Teil seiner Länge und insbesondere über zumindest annähernd seine gesamte Länge eine Strömungsquerschnittsfläche für das Kühlgas, welche maximal so groß ist wie die Strömungsquerschnittsfläche des Pumpenauslasses und insbesondere kleiner ist als die Strömungsquerschnittsfläche des Pumpenauslasses. Der Vorvakuumdruck wird dann durch die Kühlung ggf. allenfalls geringfügig erhöht und zudem wird überall in der Vakuumpumpe eine den jeweiligen Anforderungen genügende Kühlung erreicht.
Vorzugsweise weist zumindest ein Hohlbereich und insbesondere jeder Hohlbereich zumindest bereichsweise einen geschlossenen Querschnitt auf, welcher insbesondere vollständig von zumindest einer statischen Komponente der Vakuumpumpe begrenzt ist. Dadurch lässt sich eine wirksame Abdichtung des Hohlbereichs von dem Pumpenraum und eine effiziente Kühlung der statischen Pumpenkomponenten und somit der Vakuumpumpe insgesamt erreichen. Der Hohlbereich oder die Hohlbereiche können als Kanal ausgebildet sein, welcher wie vorstehend beschrieben zumindest abgesehen von etwaigen Abzweigungen zu weiteren Kanälen oder zu weiteren Hohlbereichen und zumindest über einen Teil seiner Länge und insbesondere über zumindest annähernd seine gesamte Länge einen geschlossenen Querschnitt aufweisen kann.
Bei einer besonders einfach zu realisierenden Ausführungsform ist der geschlossene Querschnitt eines oder jedes Hohlbereichs, insbesondere Kanals, zumindest in einem Abschnitt des Hohlbereichs oder zumindest in einem Längsabschnitt des Kanals und insbesondere überall vollständig von wenigstens zwei statischen Komponenten der Vakuumpumpe begrenzt. Der Hohlbereich bzw. Kanal ist also von mindestens zwei Komponenten umwandet, die den Querschnitt des Hohlbereichs jeweils teilweise begrenzen. Der Hohlbereich kann zumindest teilweise durch eine nutförmige Aussparung oder Aussackung einer Komponente gebildet sein, welche von der anderen Komponente zur Bildung des Hohlbereichs abgedeckt wird. Der Hohlbereich bzw. Kanal kann auch durch einen Spalt oder Schlitz, insbesondere Ringspalt oder Ringschlitz, zwischen den Komponenten gebildet sein. Zur Abdichtung des Hohlbereichs können die beiden Komponenten am Rand des Hohlbereichs direkt gasdichtend aneinander und/oder jeweils an einem gemeinsamen Dichtelement anliegen.
Eine baulich besonders günstige Ausgestaltung besteht darin, dass in einem Unterteil der Vakuumpumpe, welches zumindest teilweise in einem unteren Bereich der Pumpe angeordnet ist und z.B. einen Teil eines Gehäuses der Vakuumpumpe bzw. eine Einhausung für ein Drehlager und/oder einen Antrieb der Pumpe bildet, eine Nut ausgebildet ist, deren Nutwände den Hohlbereich teilweise begrenzen. Eine weitere, bevorzugt flachförmige Komponente kann die Nutöffnung verschließen und dadurch die Umwandung des Hohlbereichs so vervollständigen, dass der Hohlbereich einen geschlossenen Querschnitt aufweist. Die Nut kann dabei in axialer Richtung in das Unterteil einspringen. Die flachförmige Komponente kann z.B. in einer vorhandenen axial einspringenden und insbesondere durchgehenden Öffnung des Unterteils festgelegt sein, über die die Nut zugänglich ist und in die z.B. ein Drehlager und/oder ein Antrieb der Pumpe eingesetzt sein können. Die Nut weist dabei vorzugsweise einen im Wesentlichen kreisringförmigen oder kreisringsegmentförmigen Verlauf auf und die weitere Komponente kann dementsprechend durch einen ebenfalls kreisring- oder kreisringsegmentförmigen und bevorzugt flachförmigen Ring oder Teilring gebildet sein.
Prinzipiell kann der geschlossene Querschnitt auch zumindest in einem Abschnitt des Hohlbereichs bzw. Längsabschnitt des Kanals und insbesondere überall vollständig von genau einer statischen Komponente der Vakuumpumpe begrenzt sein. Der Hohlbereich bzw. Kanal kann dabei durch eine durchgehende Aussparung in dem Vollmaterial der jeweiligen Komponente gebildet sein.
Vorzugsweise ist zumindest ein Hohlbereich und insbesondere jeder Hohlbereich zumindest teilweise in einem Bereich der Vakuumpumpe angeordnet, welcher in Rotationsachsenrichtung von den Pumpstufen der Vakuumpumpe beabstandet ist und welcher auch als unterer Bereich bezeichnet wird. In dem unteren Bereich kann z.B. ein Drehlager für eine Rotorwelle und/oder ein Antrieb der Vakuumpumpe angeordnet sein. Ein Hohlbereich oder jeder Hohlbereich kann z.B. in einem Unterteil angeordnet bzw. zumindest teilweise davon begrenzt sein. Ein Hohlbereich kann auch zumindest teilweise durch ein insbesondere in dem unteren Bereich angeordnetes Leitblech oder eine flachförmige Komponente der Vakuumpumpe begrenzt sein. Um einen guten Wärmetransport zu gewährleiten, kann die Umwandung eines oder jedes Hohlbereichs zumindest teilweise und insbesondere vollständig durch ein wärmeleitendes und insbesondere metallisches Material gebildet sein.
Als Kühlgas kann im einfachsten Fall die Atmosphärenluft verwendet werden, welche an dem Kühlgaseinlass, vorzugsweise bei Atmosphärendruck und/oder Raumtemperatur, ansteht. In jedem Fall wird ein Kühlgas in den Kühlgaseinlass eingeleitet, welches kühler ist als die gewünschte maximale Temperatur der Pumpe. Stromaufwärts des Kühlgaseinlasses kann das Kühlgas durch eine außerhalb der Vakuumpumpe oder am Äußeren der Vakuumpumpe angeordnete Luftkühlung oder durch außerhalb der Vakuumpumpe angeordnete Strömungskanäle geleitet werden.
Unter einem Einlass und einem Auslass der Vakuumpumpe ist in der vorliegenden Beschreibung stets ein von außerhalb der Vakuumpumpe zugänglicher und das Äußere der Vakuumpumpe gasleitend mit dem Inneren der Vakuumpumpe, welches z.B. von einem Gehäuse der Vakuumpumpe begrenzt ist, verbindender Einlass bzw. Auslass zu verstehen. Der Kühlgaseinlass verbindet dementsprechend das Äußere der Vakuumpumpe mit dem Inneren der Vakuumpumpe, in dem der Hohlbereich oder die Hohlbereiche angeordnet sind. Ein Einlass bzw. Auslass kann einen eine jeweilige Einlass- bzw. Auslassöffnung umgebenden Flansch umfassen, kann aber auch durch eine einfache Einlass- bzw. Auslassöffnung gebildet sein.
Prinzipiell kann die Vakuumpumpe mehrere Hohlbereiche umfassen. Wenn in der vorliegenden Beschreibung auf einen "Hohlbereich" oder "Kanal" oder "Hohlbereiche" oder "Kanäle" Bezug genommen wird, ist die jeweilige Beschreibung sofern nicht anders angegeben stets gleichermaßen auf zumindest einen Hohlbereich bzw. Kanal, worunter ggf. auch der einzige Hohlbereich bzw. Kanal zu verstehen ist, auf mehrere Hohlbereiche bzw. Kanäle und insbesondere auf alle Hohlbereiche bzw. Kanäle zu beziehen. Die Vakuumpumpe kann auch mehrere Kühlgaseinlässe aufweisen, die jeweils gasleitend mit wenigstens einem Hohlbereich verbunden sind.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vakuumanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe gemäß der vorliegenden Beschreibung, wobei an dem Kühlgaseinlass der Vakuumpumpe ein Kühlgas zur Kühlung der Vakuumpumpe bereitgestellt ist und an dem Pumpeneinlass der Vakuumpumpe ein von dem Kühlgaseinlass getrennter Rezipient mit einem zu pumpenden Gas angeschlossen ist. Während der Rezipient vorzugsweise ein geschlossenes, im Wesentlichen gasdichtes Volumen bildet, das an den Pumpeneinlass angeschlossen ist, kann das an dem Kühlgaseinlass zur Verfügung gestellte Kühlgas beispielsweise Atmosphärenluft sein, in welchem Fall der Kühlgaseinlass einfach der normalen Atmosphäre ausgesetzt sein kann. An dem Pumpenauslass kann eine Vorvakuumpumpe angeschlossen sein, welche das von der Vakuumpumpe gepumpte Gas und gegebenenfalls zusätzlich das Kühlgas abfördert. Die vorstehend in Bezug auf die Vakuumpumpe und deren Verwendung in einer Vakuumanordnung, insbesondere mit einer Vorvakuumpumpe, beschriebenen Ausführungsformen stellen entsprechend vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vakuumanordnung dar.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe gemäß der vorliegenden Beschreibung oder einer erfindungsgemäßen Vakuumanordnung mit einer Vakuumpumpe gemäß der vorliegenden Beschreibung, wobei an dem Kühlgaseinlass der Vakuumpumpe ein Kühlgas zur Kühlung der Vakuumpumpe, insbesondere Atmosphärenluft, bereitgestellt wird und wobei an dem Pumpeneinlass der Vakuumpumpe ein von dem Kühlgas getrenntes zu pumpendes Gas bereitgestellt wird. Das zu pumpende Gas kann dabei in einem geschlossenen Rezipienten bereitgestellt werden, während als Kühlgas insbesondere die normale Atmosphärenluft verwendet werden kann, wobei der Kühlgaseinlass dieser Atmosphärenluft ausgesetzt werden kann. Die vorstehend in Bezug auf die Vakuumpumpe und die Vakuumanordnung sowie deren Verwendung beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen stellen entsprechend vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Bevorzugt wird der Sog einer Vorvakuumpumpe verwendet, um sowohl das Kühlgas als auch das Pumpgas zu fördern.
Nachfolgend ist die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Axialschnitt,
Fig. 2: einen unteren Bereich einer Vakuumpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung im Querschnitt,
Fig. 3: einen unteren Bereich einer Vakuumpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung im Axialschnitt,
Fig. 4: ein Unterteil einer Vakuumpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht,
Fig. 5: das in Fig. 4 gezeigte Unterteil in einer entlang der Linie A-A von Fig.4 geschnittenen Darstellung,
Fig. 6: das in Fig. 4 und 5 gezeigte Unterteil in einer entlang der Linie B-B von Fig. 4 geschnittenen Darstellung,
Fig. 7: einen in das in Fig. 4 bis 6 gezeigte Unterteil zur Bildung eines Kühlgaskanals einsetzbaren Ring, und
Fig. 8: den in Fig. 7 gezeigten Ring in einer entlang der Linie A-A von Fig. 7 geschnittenen Darstellung.

Die in Fig. 1 gezeigte Vakuumpumpe umfasst einen Pumpeneinlass 10, der von einem Einlassflansch 12 umgeben ist, einen Pumpenauslass 14, der von einem Auslassflansch 16 umgeben ist, und einen dazwischen angeordneten Pumpenraum 18, durch den das zu pumpende Gas bei dem Betrieb der Pumpe hindurchgefördert wird und der auch als Schöpfraum bezeichnet wird. Ein Gehäuseoberteil 20 und ein Unterteil 22 bilden ein Gehäuse der Vakuumpumpe.
Die Vakuumpumpe umfasst eine Rotorwelle 26, die durch ein Magnetlager 30 und ein Kugellager 32, welches von einer Schmiereinrichtung 34 mit Schmiermittel versorgt wird, um eine Rotationsachse 28 drehbar in der Vakuumpumpe gelagert ist. Ein elektrischer Antrieb 36 dient zum drehenden Antreiben der Rotorwelle 26.
Das Magnetlager 30 und die nachstehend beschriebenen Pumpstufen sind in dem Gehäuseoberteil 20 aufgenommen. Das Unterteil 22 bildet eine Einhausung für das Kugellager 32 und für die Schmiereinrichtung 34, welche sich im unteren Bereich 24 der Vakuumpumpe befinden, und für den Antrieb 36. Das Unterteil 22 ist durch einen Basisabschnitt 60 und einen Funktionsabschnitt 62 gebildet und umfasst eine durchgehende
Öffnung 72 und eine Nut 76, wobei diese Bestandteile nachstehend in Bezug auf Fig. 4 bis 6 näher erläutert sind.
Die Vakuumpumpe umfasst mehrere an der Rotorwelle 26 angeordnete, sich in radialer Richtung erstreckende und mit radialen Schaufeln versehene Rotorscheiben 38. Ferner sind Statorscheiben 40 vorgesehen, die sich ebenfalls in radialer Richtung erstrecken, mit radialen Schaufeln versehen sind und die so angeordnet und in dem Gehäuse der Vakuumpumpe festgelegt sind, dass sie den Rotorscheiben 38 in einem geringen axialen Abstand gegenüberliegen. Eine Rotorscheibe 38 bildet dabei mit einer gegenüberliegenden Statorscheibe 40 jeweils eine turbomolekulare Pumpstufe der Vakuumpumpe.
Stromabwärts der turbomolekularen Pumpstufen folgen drei ineinander geschachtelte Holweck-Pumpstufen der Vakuumpumpe, welche durch mehrere zylindermantelförmige und konzentrisch zu der Rotationsachse 28 angeordnete Holweckstatoren 42 und ebenfalls zylindermantelförmig ausgebildete und konzentrisch zu der Rotationsachse 28 angeordnete, mit der Rotorwelle 26 verbundene Holweckrotorhülsen 44 gebildet sind. Eine mehrere schraubenlinienförmige Nuten ausbildende pumpaktive radiale Oberfläche eines Holweckstators 42 steht dabei jeweils einer glatten radialen Oberfläche einer Holweckrotorhülse 44 in einem geringen radialen Abstand gegenüber, so dass zwischen den Oberflächen ein dünner Spalt ausgebildet ist. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen bilden zusammen jeweils eine Holweck-Pumpstufe, wobei bei dem Betreib der Vakuumpumpe die Gasmoleküle in den schraubenlinienförmigen Nuten angetrieben und somit in axialer Richtung gefördert werden.
Stromabwärts der drei in Strömungsrichtung in Serie geschalteten Holweck-Pumpstufen ist ein Vorvakuumbereich 46 der Vakuumpumpe ausgebildet, in dem das durch die Pumpstufen geförderte Gas gesammelt wird, das anschließend über den mit dem Vorvakuumbereich 46 gasleitend verbundenen Pumpenauslass 14 ausgelassen wird.
Die Vakuumpumpe umfasst außerdem einen Kühlgaseinlass 48, welcher in dem Unterteil 22 ausgebildet ist und einen im Inneren des Unterteils 22 ausgebildeten Kanal 50 für das Kühlgas gasleitend mit dem Pumpenäußeren und der dort vorhandenen Atmosphärenluft verbindet.
Der Kühlgaseinlass 48 erstreckt sich in radialer Richtung in die Vakuumpumpe hinein und mündet in den Kühlgaskanal 50, welcher einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweist, im Wesentlichen halbkreisringförmig um die Rotationsachse 28 herum verläuft und in den Pumpenauslass 14 mündet.
Wenn an den Pumpenauslass 14 eine Vorvakuumpumpe angeschlossen ist, kann durch den Sog der Vorvakuumpumpe Atmosphärenluft durch den Kühlgaseinlass 48 in die Vakuumpumpe und durch den Kanal 50 hindurch zu dem Pumpenauslass 14 befördert und dort von der Vorvakuumpumpe abgesaugt werden. Dabei kühlt die Atmosphärenluft die den Kanal 50 begrenzenden Bereiche des Unterteils 22, wodurch eine übermäßige Erwärmung bei dem Betrieb der Vakuumpumpe verhindert wird.
Prinzipiell können auch mehr Kühlgaskanäle 50 und/oder mehrere Kühlgaseinlässe 48 vorgesehen sein, die jeweils gasleitend mit dem Pumpenauslass 14 verbunden sein können.
Fig. 2 zeigt einen unteren Bereich 24 einer Vakuumpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt, welche im Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Vakuumpumpe entspricht. Die Pumpenkomponenten, die in dem Unterteil 22 aufgenommen sein können wie z.B. ein wie in Fig. 1 gezeigtes Drehlager oder eine Schmiereinrichtung sind in Fig. 2 nicht dargestellt und das Unterteil 22 ist stattdessen durchgehend dargestellt.
Die in Fig. 2 gezeigte Pumpe weist zwei mit dem Kühlgaseinlass 48 jeweils gasleitend verbundene Kühlgaskanäle 50, 52 auf, die ausgehend vom dem Kühlgaseinlass 48 in entgegengesetzten Richtungen im Wesentlichen halbkreisringförmig um die Rotationsachse 28 herum verlaufen und in den Pumpenauslass 14 münden. Dadurch wird über den gesamten Winkelbereich um die Rotationsachse 28 herum eine wirkungsvolle Kühlung erreicht. Die gasleitende Verbindung zwischen dem Vorvakuumbereich der Vakuumpumpe und dem Pumpenauslass 14 ist in Fig. 2 durch den gestrichelten Kreis 56 dargestellt.
Fig. 3 zeigt den unteren Bereich 24 einer Vakuumpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Axialschnitt mit einem Unterteil 22, das wie in Fig. 2 durchgehend dargestellt ist. Die Vakuumpumpe weist mehrere Kühlgaskanäle 50, 54 auf, die jeweils gasleitend mit einem in Fig. 3 nicht dargestellten Kühlgaseinlass verbunden sind.
Die Vakuumpumpe umfasst zum einen Kanäle 50, die vollständig durch das Vollmaterial des Unterteils 22 begrenzt sind. Zum anderen umfasst die Vakuumpumpe Kanäle 54, die zum einen durch die Nutwände von Nuten umwandet sind, die an den radialen Außenseiten des Unterteils 22 vorgesehen sind, und zum anderen durch Außenbleche 58, die mit dem Unterteil 22 gasdichtend verbunden sind und die Kanäle 54 in radialer Richtung nach außen hin begrenzen. Die Außenbleche 58 begrenzen zusammen mit dem Unterteil 22 einen näherungsweise dreieckförmigen Querschnitt der einzelnen Kanäle 54.
Fig. 4 zeigt ein Unterteil 22 einer Vakuumpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht. Das Unterteil 22 umfasst einen näherungsweise zylinderförmig um die Achse 28 herum verlaufenden Basisabschnitt 60, der bei dem Einsatz des Unterteils 22 in einer Vakuumpumpe den unteren Bereich 24 der Vakuumpumpe bildet. Das Unterteil 24 umfasst außerdem einen gegenüber dem Basisabschnitt 60 in axialer Richtung stutzenförmig hervorstehenden und zu der Achse 28 im Wesentlichen rotationssymmetrischen Funktionsabschnitt 62, welcher in der nachstehend beschriebenen Weise mit den an der Pumpfunktion unmittelbar beteiligten Komponenten der Vakuumpumpe zusammenwirkt.
Der Funktionsabschnitt 62 umfasst einen in radialer Richtung kragenförmig hervorstehenden Abschnitt 64 mit mehreren schraubenlinienförmig um die Achse 28 herum verlaufenden Nuten 66. Bei dem Einsatz in der Vakuumpumpe bildet der Abschnitt 64 mit der Innenfläche einer um die Achse 28 herum rotierenden Holweckrotorhülse 44 (siehe Fig. 1) einen Spalt mit einer geringen radialen Spaltweite. Der Abschnitt 64 und die Holweckrotorhülse 44 arbeiten dabei nach der Art einer Holweckpumpstufe zusammen und bilden eine dynamische Dichtung, welche den Pumpenraum gegenüber den benachbarten Hohlräumen der Pumpe abdichtet.
Der Basisabschnitt 60 umfasst einen Pumpenauslass 14 sowie einen von dem Pumpenauslass 14 gasdicht getrennten Kühlgasauslass 68.
Fig. 5 und 6 zeigen das in Fig. 4 gezeigte Unterteil 22 in einer entlang der Linie A-A bzw. B-B von Fig. 4 geschnittenen Darstellung. Das Unterteil 22 umfasst einen Kühlgaseinlass 48 und eine zur Begrenzung eines Kühlgaskanals 50 ausgebildete Nut 70, die in axialer Richtung einspringt und kreislinienförmig um die Achse 28 herum zu dem Kühlgasauslass 68 verläuft, wobei die Nut 70 einen Winkelbereich von näherungsweise 220° abdeckt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist die Nut 70 über eine Öffnung 72 des Unterteils 22 von außen zugänglich.
Fig. 7 und 8 zeigen einen kreisförmigen Ring 74 mit einem flachen Querschnitt, der so in der Öffnung 72 festlegbar ist, dass der Ring 74 die Nut 70 verschließt und mit den Nutwänden einen geschlossenen Querschnitt für den Kühlgaskanal 50 bildet.
Das Unterteil 22 umfasst außerdem eine Nut 76 (Fig. 5) zur Begrenzung des Vorvakuumbereichs 46 und einen damit gasleitend verbundenen Pumpenauslass 14. Wie anhand von Fig. 5 und 6 ersichtlich, verläuft der Kühlgaskanal 50 bei dieser Ausführungsform in axialer Richtung unterhalb des Pumpenauslasses 14 und ist vollständig gasdicht von dem Vorvakuumbereich 48 und dem Pumpenraum 18 insgesamt getrennt. Zur Erzeugung einer Kühlgasströmung in dem Kühlgaskanal 50 kann z.B. an dem Kühlgaseinlass 48 Druckluft bereitgestellt werden. Alternativ kann der Kühlgasauslass 68 außerhalb der Vakuumpumpe und somit stromabwärts des Pumpenauslasses 14 an eine Vorvakuumpumpe angeschlossen werden, welche auch mit dem Pumpenauslass 14 verbunden sein kann.
Die Öffnung 72 erstreckt sich in axialer Richtung durch den Basisabschnitt 60 und den Funktionsabschnitt 62 des Unterteils 22 hindurch, wobei im Bereich des Funktionsabschnitts 62 ein Antrieb 36 (siehe Fig. 1) und im Bereich des Basisabschnitts 60 ein Drehlager 32 der Pumpe in der Öffnung 72 festlegbar ist, so dass das Unterteil 22 eine Einhausung für diese Komponenten bildet. Das untere Ende der Öffnung 72 ist mit einem nicht dargestellten Deckel verschließbar.

Bezugszeichenliste

10: Pumpeneinlass
12: Einlassflansch
14: Pumpenauslass
16: Auslassflansch
18: Pumpenraum
20: Gehäuseoberteil
22: Unterteil
24: unterer Bereich
26: Rotorwelle
28: Rotationsachse
30: Magnetlager
32: Kugellager
34: Schmiereinrichtung
36: Antrieb
38: Rotorscheibe
40: Statorscheibe
42: Holweckstator
44: Holweckrotorhülse
46: Vorvakuumbereich
48: Kühlgaseinlass
50, 52, 54: Hohlbereich, Kanal
56: Kreis
58: Außenblech
60: Basisabschnitt
62: Funktionsabschnitt
64: Kragenabschnitt
66: Nut
68: Kühlgasauslass
70: Nut
72: Öffnung
74: Ring
76: Nut

Claims

Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem Pumpeneinlass (10), einem Pumpenauslass (14) und einem zwischen dem Pumpeneinlass (10) und dem Pumpenauslass (14) angeordneten Pumpenraum (18) für ein zu pumpendes Gas,
sowie mit zumindest einem Kühlgaseinlass (48) für ein Kühlgas zur Kühlung der Vakuumpumpe und mit zumindest zwei mit dem Kühlgaseinlass (48) gasleitend verbundenen und außerhalb des Pumpenraums (18) angeordneten Hohlbereichen (50, 52, 54) für das Kühlgas dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlbereiche (50, 52, 54) in einem wärmeleitenden Unterteil (22) der Vakuumpumpe angeordnet sind,
wobei die Hohlbereiche (50, 52, 54) jeweils als Kanal ausgebildet sind, wobei zumindest zwei Kanäle (50, 52, 54) vorgesehen sind, welche in unterschiedlichen Richtungen um eine Rotationsachse (28) der Vakuumpumpe herum verlaufen.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlbereiche (50, 52, 54) gasleitend mit dem Pumpenauslass (14) verbunden sind und insbesondere in den Pumpenauslass (14) oder in einen stromaufwärts des Pumpenauslasses (14) angeordneten Bereich, insbesondere einen Vorvakuumbereich (46), des Pumpenraums (18) münden.
Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Kühlgasauslass (68) für das Kühlgas vorgesehen ist, mit dem die Hohlbereiche (50, 52, 54) gasleitend verbunden sind.
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlbereiche (50, 52, 54) von dem Pumpenraum (18) im Wesentlichen gasdicht getrennt sind oder stromabwärts sämtlicher zum Pumpen des in dem Pumpenraum (18) vorhandenen Gases vorgesehenen Pumpstufen (38, 40, 42, 44) der Vakuumpumpe mit dem Pumpenraum (18) oder mit dem Pumpenauslass (14) gasleitend verbunden sind.
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (50, 52, 54) im Wesentlichen ringförmig oder ringsegmentförmig um eine Rotationsachse (28) der Vakuumpumpe herum verlaufen.
Vakuumpumpe nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (50, 52, 54) wenigstens über einen Teil ihrer Länge und insbesondere über zumindest annähernd ihre gesamte Länge eine Strömungsquerschnittsfläche für das Kühlgas bilden, welche maximal so groß ist wie die Strömungsquerschnittsfläche des Pumpenauslasses (14) und insbesondere kleiner ist als die Strömungsquerschnittsfläche des Pumpenauslasses (14).
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlbereiche (50, 52, 54) jeweils zumindest bereichsweise und insbesondere überall einen geschlossenen Querschnitt aufweisen, welcher vollständig von zumindest einer statischen Komponente (22, 58, 74) der Vakuumpumpe begrenzt ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der geschlossene Querschnitt zumindest in einem Abschnitt der Hohlbereiche (50, 52, 54) und insbesondere überall vollständig von wenigstens zwei statischen Komponenten (22, 58, 74) der Vakuumpumpe begrenzt ist.
Vakuumanordnung mit einer Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an dem Kühlgaseinlass (48) der Vakuumpumpe ein Kühlgas zur Kühlung der Vakuumpumpe bereitgestellt ist und an dem Pumpeneinlass (10) der Vakuumpumpe ein von dem Kühlgaseinlass (48) getrennter Rezipient mit einem zu pumpenden Gas angeschlossen ist.
Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer Vakuumanordnung mit einer Vakuumpumpe nach Anspruch 9, wobei an dem Kühlgaseinlass (48) der Vakuumpumpe ein Kühlgas zur Kühlung der Vakuumpumpe, insbesondere Atmosphärenluft, bereitgestellt wird und wobei an dem Pumpeneinlass (10) der Vakuumpumpe ein von dem Kühlgas getrenntes zu pumpendes Gas bereitgestellt wird.