IT9067163A1

IT9067163A1 - Pompa turbomolecolare perfezionata.

Info

Publication number: IT9067163A1
Application number: IT067163A
Authority: IT
Inventors: Fausto Casaro; Luigi Dolcino; Mars Hablanian; Giampaolo Levi
Original assignee: Varian Spa
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 1991-09-09
Also published as: IT1241431B; ES2064873T3; EP0445855A1; ATE113343T1; JPH0826877B2; IT9067163A0; DE69104749T2; JPH04224295A; HK1000016A1; DE69104749D1; EP0445855B1

Description

Tale canale e' chiuso da un deflettore (15;39) ed e' in comunicazione con il foro di aspirazione (17;40) ed il foro di scarico (18;41). Il rotore a disco piano può' essere provvisto di palette (37,37a,37b). Si possono combinare stadi a flusso tangenziale (10) con rotore senza palette' (12) e stadi a flusso tangenziale (30) con rotore a palette (35); in tal modo risulta possibile innalzare la pressione di uscita fino al livello della pressione atmosferica, e scaricare direttamente in atmosfera. (Figura 2).

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad una pompa turbomolecolare perfezionata, specificatamente ad una pompa turbomolecolare con rapporto di compressione aumentato, atto ad estendere il campo operativo verso le pressioni elevate.

Le pompe turbomolecolari convenzionali hanno campi operativi da circa 10'7 a 10-1 o 1 Pascal, cioè esse non possono scaricare direttamente nell'atmosfera. Ciò significa che esse devono essere collegate ad una pompa a vuoto iniziale che produca il vuoto preliminare necessario e scarichi i gas pompati alla pressione atmosferica.

Tuttavia, può verificarsi una contaminazione della pompa turbomolecolare con l'olio di lubrificazione della pompa a vuoto iniziale, cosa che impedisce il pompaggio al campo operativo più basso e può' contaminare la camera a vuoto. Ciò può essere evitato con una manutenzione a brevi intervalli.

cosa che aumenta i costi dì funzionamento ed il costo iniziale del sistema a vuoto. Inoltre, la combinazione di una pompa turbomolecolare con una pompa a vuoto iniziale è piuttosto ingombrante, il che è uno svantaggio nella maggioranza delle applicazioni.

Pompe turbolecolari cosiddette ibride sono state messe a punto per ridurre la necessità di queste pompe iniziali. I brevetti USA No. 4.732.529, No. 4.826.393, e No. 4.797.068 descrivono pompe turbomolecolari comprendenti una sezione che aumenta il rapporto di compressione, consistente di rotori formati con scanalature a spirale, o rotori a vite, i quali guidano i gas dalla sezione a vuoto spinto ad un sistema più semplice di scarico, ad esempio una pompa a membrana. Sebbene tali pompe turbomolecolari ibride non necessitino di sistemi complessi di scarico consistenti in un certo numero di pompe a vuoto ausiliarie, esse richiedono ancora una pompa iniziale, poichà sono incapaci di scaricare i gas a pressione atmosferica.

E'stata messa a punto una nuova pompa preliminare che può raggiungere una bassa pressione finale (3·10~2 Pascal). Come descritto nell'articolo J.Vac.sci.Technol.,A, Voi.6, No.4, 2518-2521, Jul/Aug 1988, questa pompa è una turbopompa a vuoto preliminare che comprende stadi di pompaggio a flusso radiale consistenti di giranti che ruotano in canali con scanalature che dirigono radialmente il flusso dei gas pompati, e uno stadio di pompaggio a flusso periferico dal lato dello scarico, che aumenta la pressione in modo che la pompa possa scaricare a pressione atmosferica. Tuttavia, si tratta sempre di una pompa preliminare che non pud in alcun modo sostituire una pompa turbomolecolare, la cui pressione finale è inferiore di parecchi ordini di grandezza (10-7 Pascal) alla pressione finale della pompa preliminare ivi descritta (10-2 Pascal).

Un primo scopo della presente invenzione à fornire una pompa turbomolecolare con elevato rapporto di compressione.

Un altro scopo della presente invenzione d fornire una pompa turbomolecolare che sia capace di scaricare gas a pressione atmosferica, senza essere associata ad una pompa preliminare.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è fornire una pompa turbomolecolare che sia meno ingombrante dei sistemi a vuoto precedenti aventi campi operativi simili.

Per raggiungere gli scopi suddetti, una pompa turbomolecolare perfezionata secondo la presente invenzione comprende'dal lato aspirazione una pluralità di stadi di pompaggio consistenti in rotori e statori disposti alternati forniti di alette inclinate, le alette del rotore essendo inclinate nella direzione opposta alle alette dello statore, per pompare gas lungo un percorso di flusso assiale attraverso detti stadi di pompaggio, caratterizzata dal fatto che comprende inoltre almeno uno stadio di pompaggio al lato di scarico, consistente in un rotore e in uno statore complanari, con un cernale anulare libero definito fra di essi lungo una parte delle loro circonferenze, detto canale anulare libero essendo in comunicazione con un foro d'aspirazione e un foro di scarico per pompare dei gas con un percorso di flusso tangenziale a detto rotore da detto foro d'aspirazione a detto foro di scarico.

Secondo un'altra caratterietica dell'invenzione, per aumentare l'effetto di pompaggio nel regime di flusso viscoso, può essere aggiunto uno stadio di pompaggio a flusso tangenziale nel quale il rotore consiste in un disco fornito di palette.

Si descrivono qui di seguito alcune forme di realizzazione illustranti l'invenzione con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la Figura 1 è una vista schematica in sezione assiale di una parte di una pompa turbomolecolare secondo 1'invenzione;

- la Figura 2 è una vista prospettica di una parte della pompa di Figura 1, con una prima forma di realizzazione, parzialmente interrotta, di uno stadio di pompaggio a flusso tangenziale;

- la Figura 3 è una vista in pianta, parzialmente interrotta, dello stadio di pompaggio di Figura 2; e

- la Figura 4 è una vista prospettica di una seconda forma di realizzazione, parzialmente interrotta, di uno stadio di pompaggio a flusso tangenziale.

Facendo riferimento alla Fig. 1, una pompa turbomolecolare secondo l'invenzione comprende un certo numero di stadi di pompaggio a flusso assiale, ciascuno consistente di un rotore 1 o la, e di uno statore 2 o 2a, contenuti in un corpo pompa cilindrico 3, come noto nella tecnica.·Lo stadio di pompaggio, consistente di un rotore la e di uno statore 2a, è indicato in Fig. 2. Ciascun rotore d costituito da un disco 5 montato su un albero girevole 6, e portante alla sua periferia una serie di alette inclinate estendentisi radialmente 7, 7a, 7b. Ciascuno statore d costituito da un disco simile con un foro centrale per l'albero 6 dei rotori. Ciascuno statore è fissato al corpo pompa 3, ed è costituito da un disco 8 provvisto di alette 9, 9a, 9b, che sono inclinate in una direzione opposta rispetto alla direzione delle alette 7, 7a, 7b del rotore.

Z gas che provengono dal lato aspirazione, non raffigurato, indicati dalla freccia A, vengono pompati dagli stadi descritti lungo direzioni parallele all'asse del corpo cilindrico 3, cioè viene prodotto un flusso assiale di gas attraverso i rotori e statori alternati, come indicato dalla freccia B in Fig. 1.

Secondo l'invenzione, a valle degli stadi di pompaggio a flusso assiale vengono aggiunti uno o piu' stadi di concezione diversa.

In Fig. 1 sono mostrati due di tali stadi di pompaggio, indicati globalmente con i numeri di riferimento 10 e 30.

Ciascuno degli stadi di pompaggio 10 e 30 comprende ancora un rotore montato su un albero 6, e uno statore fissato al corpo pompa 3. Dettagli di costruzione di questi stadi di pompaggio sono illustrati anche nelle Figure da 2 a 4.

Con riferimento alle Figure 1, 2 e 3, lo stadio di pompaggio 10 comprende un rotore costituito da un disco piano 12 fissato all'albero 6. Il rotore 12 à circondato da uno statore sostanzialmente complanare avente la forma di un anello 13 distanziato dal disco rotore 12, in modo da definire tra rotore e statore un canale anulare libero 14. Uno schermo 15 chiude il canale 14 fra una bocca d'aspirazione 17 e una bocca di scarico 18, previsto in una piastra superiore di chiusura 21 e in una piastra inferiore di chiusura 23, rispettivamente. Le piastre di chiusura 21 e 23 sono unite fra loro mediante mezzi adatti, ad esempio mediante connessione del bordo 22 estendentesi verso il basso della piastra 21, in modo da formare un involucro chiuso che contenga lo stadio di pompaggio. In ambo le piastre 21 e 23 sono previsti fori centrali per il passaggio dell'albero 6. Lo schermo 15 pud essere una sporgenza radiale dello statore 13, come indicato nelle Figure 2 e 3, o un elemento separato fissato a tenuta all'anello statore 13.

Il funzionamento dello stadio di pompaggio sopra descritto è il seguente.

I gas pompati dagli stadi di pompaggio a flusso assiale giungono al foro d'aspirazione 17, come indicato dalla freccia D in Figure le 2, ed entrano nel canale 14. Qui, le molecole di gas urtano il disco rotante 12 e raggiungono una velocità con una componente tangenziale al disco 12, come indicato dalla freccia E. Grazie a questo processo, le molecole vengono trasferite entro il canale libero 14 dal foro d'ingresso 17 al foro di scarico 18 secondo un percorso di flusso tangenziale, e abbandonano il canale 14 attraverso il foro di scarico 18, come indicato dalla freccia F. Il flusso dei gas che viene prodotto nel condotto libero 14 viene denominato "flueso tangenziale" poiché e' parallelo alla direzione della velocità del rotore, che é tangente al rotore etesso.

Questo stadio di pompaggio a flusso tangenziale è efficace in un campo di pressioni a flusso molecolare o di transizione, e permette di aumentare la pressione d'uscita da circa 1 Pascal, che è l'usuale pressione d'uscita delle pampe turbomolecolari convenzionali, a 10* Pascal e oltre. In campi di pressione più elevata, cioè nel regime di flusso viscoso, gli stadi di pompaggio con dischi rotore piani non sono più efficaci. Si è trovato che una diversa forma del rotore quale quella indicata in dettaglio in Fig. 4, pud produrre un ulteriore aumento della pressione d'uscita, fino alla pressione atmosferica.

Con riferimento ancora alla Fig. 1, lo stadio di pompaggio efficace nel regime di flusso viscoso è indicato con 30. Lo stadio di pompaggio 30, mostrato anche in Fig. 4, è disposto in serie, a valle dello stadio di pompaggio 10. Come lo stadio di pompaggio 10, esso comprende un involucro chiuso costituito da una piastra superiore 31 con un bordo 32 estendenteei verso il basso, collegato ad una piastra inferiore 33. L'albero 6 si estende assialmente nell'involucro, e porta un disco rotore 35 con palette periferiche quali le 37, 37a, 37b, giacenti su piani perpendicolari ai piani del disco 35. Un anello statore complanare 36 circonda il rotore 35 ma è distanziato da esso in modo da definire un canale anulare libero 38 fra la periferia delle palette del rotore e lo statore. Uno schermo 39 ostruisce il canale libero 38 fra il foro d'aspirazione 40 previsto nella piastra superiore 30 e il foro di scarico 41 previsto nella piastra inferiore 33.

Come indicato in Fig. 1, i gas scaricati dal foro 18 dello stadio di pompaggio 10 pervengono al foro d'aspirazione 40 dello stadio di pompaggio 30, come indicato dalla freccia G, ed entrano nel canale 38 fra rotore e statore. Qui, le molecole dei gas acquistano energia cinetica urtando il rotore, nel canale libero 38 si produce un flusso circolare con una componente tangenziale di velocità, e i gas vengono pompati dal foro d'aspirazione 40 al foro di scarico 41. In quest'ultimo stadio la pressione viene elevata fino a circa 10s Pascal, cosicché la pompa pud scaricare direttamente nell'atmosfera attraverso .il foro 43 nel corpo pompa 3, come indicato dalla freccia I in Fig. 1. La velocità periferica del rotore di questa pompa turbomolecolare, comprendente gli stadi assiale e periferico, di solito non è inferiore a 250 m/sec, e preferibilmente e' compresa tra 350 a 400 m/sec. Ad esempio, in una piccola pompa dotata di un rotore avente un diametro di 100 mm (0,01 m), la velocità angolare del rotore è di 50.000 giri/minuto per ottenere una velocità periferica di 260 m/sec (Vp=2rrr»va). Per diametri maggiori del rotore, la velocità angolare può essere più bassa, a condizione che la velocità periferica non scenda al di sotto di circa 250 m/sec.

Appare evidente dalla descrizione che precede che il numero degli stadi di pompaggio a flusso assiale e il numero degli stadi di pompaggio a flusso tangenziale - sia del tipo con rotore piano che del tipo con rotore a palette - può essere variato secondo l'applicazione specifica, senza con ciò uscire dall'ambito dell'invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Pompa turbomolecolare perfezionata comprendente dal lato aspirazione una pluralità di stadi di pompaggio consistenti in rotori (1, la) e statori (2, 2a) disposti alternatamente e forniti di alette inclinate, le alette (7, 7a, 7b) del rotore essendo inclinate nella direzione opposta rispetto alle alette {9, 9a, 9b) dello statore, per pompare gas lungo un percorso di flusso assiale attraverso detti stadi di pompaggio, caratterizzata dal fatto che comprende inoltre almeno uno etadio di pompaggio (10) al lato di scarico, consistente in un rotore (12) e in uno statore complanari (13), con un canale anulare libero (14) definito fra di essi lungo una parte delle loro circonferenze, detto canale anulare libero essendo in comunicazione con un foro d'aspirazione (17) e un foro di scarico (18) per pompare dei gas con un percorso di flusso tangenziale a detto rotore (12) da detto foro d'aspirazione (17) a detto foro di scarico < 18) · 2. Pompa turbomolecolare perfezionata secondo la rivendicazione 1, caratterizzata da fatto che comprende uno etadio addizionale di pompaggio (30) al lato di scarico, disposto a valle di detto foro di scarico (18), detto stadio addizionale di pompaggio (30) essendo costituito da un rotore (35) con palette (37, 37a, 37b) e da uno statore (36) complanare, un canale anulare libero (38) essendo definito fra la periferia di dette palette (37, 37a, 37b) e detto statore (36) lungo una parte della circonferenza di detto rotore (35) e statore (36), detto canale anulare libero (38) essendo in comunicazione con un foro di aspirazione (40) e un foro di scarico (41) per pompare dei gas con un flusso tangenziale a detto rotore (35) da detto foro d'aspirazione (40) a detto foro di scarico (41). 3. Pompa turbomolecolare perfezionata secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che dette palette (37, 37a, 37b) sono perpendicolari al piano di detto rotore (35). 4. Pompa turbomolecolare perfezionata secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto canale anulare libero (14; 38) è delimitato alle sue estremità da uno schermo (15; 39) disposto fra detto foro di scarico (18; 41) e detto foro d'aspirazione (17; 40). 5. Pompa turbomolecolare perfezionata secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti rotori (1, la) di detti stadi di pompaggio per pompare gas lungo un percorso di flusso assiale, e detto rotore (12) di detto stadio di pompaggio (10) per pompare gas con un flusso tangenziale a detto rotore (12) sono montati su uno stesso albero girevole (6). 6. Pompa turbomolecolare perfezionata secondo le rivendicazioni 1, 2 e 5, caratterizzata dal fatto che anche detto rotore (35) di detto stadio (30) di pompaggio a flusso -tangenziale addizionale è montato su detto albero a rotazione (6). 7. Pompa turbomolecolare perfezionata secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzata dal fatto che detti rotori (1, la, 12, 35) di detti stadi di pompaggio a flusso assiale e tangenziale ruotano, operativamente, ad una velocità periferica di almeno 250 m/sec. 8. Pompa turbomolecolare perfezionata secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che ciascuno di detti stadi di pompaggio (10, 30) a flusso tangenziale è contenuto in un involucro costituito da piastre superiori ed inferiori (21, 23; 31, 33) provviste di fori di aspirazione e di scarico (17, 18; 40, 41).