NL8303927A - Hoog-vacuum moleculair pomp. - Google Patents

Description

- 1 - * s *

ÜC 312 HET

HOOG-VACUUM MOLECULAIR POMP

De uitvinding betreft een hoog-vacuüm moleculair pomp van het zogenaamde Holweck type.

Pompen van dit type, die zijn bestemd voor het scheppen en handhaven van een zeer hoog vacuüm, zijn bekend, bijvoor-* 5 beeld uit de Amerikaanse octrooischriften nr. 1.492.846 en nr. 2.730.297, uit het Britse octrooischrift nr. 1.588.374 en uit het artikel "A new molecular pump" van Louis Maurice in de "Japanese Journal of Applied Physics; suppl. 2, part 1, 1974, pages 21-24, Tokyo".

10 Bij deze pompen wordt gebruik gemaakt van het zogenaamde "molecular drag" principe, zoals in het volgende zal worden uiteengezet.

Wanneer het ene element (eenvoudigheidshalve rotor genoemd) zeer snel roteert ten opzichte van het andere element 15 (eenvoudigheidshalve stator genoemd) dan zal zich in de pompruimte tussen rotor en stator bij een gasdruk die zo laag is dat de vrije weglengte van de gasmoleculen groter is dan de afmetingen van de pompruimte waarin de moleculen zich bevinden het volgende proces afspelen.

20 Ieder gasmolecuul dat tegen de zeer snel roterende rotor botst zal, gemiddeld gezien, bij het verlaten van de rotor-wand, behalve een snelheid tengevolge van de temperatuur-werking, een snelheidscomponent hebben met de snelheidsgrootte en -richting van die van de rotorwand. Dankzij de lage gasdruk 25 zal ieder molecuul dat de rotor heeft verlaten niet door botsing met een ander molecuul van richting veranderen, maar het zal uiteindelijk botsen tegen de zijde van de stator gelegen tegenover de rotor en zal terugkaatsen naar de rotor.

Dit proces herhaalt zich steeds en heeft tot gevolg dat de 30 moleculen zich in de draairichting van de rotor zullen verplaatsen. Daar ten minste de naar de rotor gekeerde zijde van de stator is voorzien van ten minste een schroeflijnvormig 8303927 - 2 -

I I

* 0* kanaal wordt uiteindelijk een molecuultransport in de richting van het kanaal verkregen. De omtreksnelheid van de rotor kan namelijk in twee richtingen worden ontbonden; evenwijdig aan het kanaal en loodrecht hierop.

5 De compressieverhouding en de pompsnelheid is onder andere afhankelijk van de snelheidscomponent van de moleculen in de kanaalrichting. De pompsnelheid is het aantal volume-eenheden gas in de lage-drukruimte van de pomp dat per tijdseenheid door de pomp wordt getransporteerd.

10 Het is duidelijk dat het gewenst is de pompsnelheid zo hoog mogelijk op te voeren bij zo beperkt mogelijke afmetingen van de pomp. Dit kan bereikt worden door de pomp zodanig te ontwerpen dat de rotor met zeer hoge snelheid kan roteren, bijvoorbeeld zodanig dat omtreksnelheden van de rotor van de 15 orde van grootte van 200 tot 400 m/sec. worden verkregen. Het opvoeren van de rotorsnelheden is echter aan grenzen gebonden, daar bij zeer hoge rotorsnelheden grote mechanische problemen ontstaan. Verder dient de constructie zodanig te zijn, dat lekkage zoveel mogelijk wordt voorkomen.

20 In aanvraagster's Europese octrooiaanvrage nr. 82201601.0, gepubliceerd op 22 juni 1983 onder nr. 0081890 wordt een verbeterde uitvoeringsvorm beschreven van een hoog-vacuum moleculair pomp van de bovengenoemde soort.

De hoog-vacuüm moleculair pomp volgens de bovengenoemde 25 Europese octrooiaanvrage bestaat uit ten minste twee coaxiale * elementen die roteerbaar zijn ten opzichte van elkaar en op geringe afstand van elkaar zijn geplaatst, waarbij een zijde van ten minste ëén van de elementen gelegen tegenover een zijde van een ander element is voorzien van ten minste ëën 30 schroeflijnvormig kanaal, en waarbij een pompruimte tussen deze zijden van de elementen aanwezig is, welke pompruimte is verbonden met een gastoevoer en een gasafvoer, waarbij nabij een einde van een- paar elementen een in hoofdzaak ringvormige gastoevoerkamer aanwezig is, die wordt begrensd door deze 35 elementen, welke ringvormige gastoevoerkamer enerzijds met de 83 03 92 7 - 3 - gastoevoer en anderzijds met de pompruimte tussen de twee elementen is verbonden, waarbij het schroeflijnvormige kanaal zich uitstrekt tot in de ringvormige gastoevoerkamer en waarbij de elementen die de ringvormige gastoevoerkamer 5 begrenzen zodanig zijn uitgevoerd dat de ringvormige gastoevoerkamer nabij de gastoevoer relatief breed is maar zich stroomafwaarts, al dan niet geleidelijk, vernauwt.

Door de toepassing van deze in hoofdzaak ringvormige gastoevoerkamer, die relatief breed is nabij de gastoevoer, 10 worden de zich met grote snelheid in de gastoevoer voortbewegende moleculen effectief "gevangen” en getransporteerd door de hoge rotatiesnelheid. De "gevangen" moleculen verplaatsen zich in de ringvormige gastoevoerkamer, dankzij de bijzondere vorm van de ringvormige gastoevoerkamer, geleidelijk door een 15 proces van botsing en impulsoverdracht zoals in het vorenstaande beschreven, naar de pompruimte. Hierdoor is het mogelijk, bij een gegeven rotorsnelheid, de pompsnelheid op eenvoudige wijze te verhogen.

Aanvraagster heeft nu gevonden dat de bovengenoemde 20 hoog-vacuüm moleculair pomp, zoals bekend uit aanvraagster's Europese octrooiaanvrage nr. 82201601.0, nog verder kan worden verbeterd.

Daartoe is deze hoog-vacuüm moleculair pomp volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat in de ringvormige gastoe-25 veerkamer schoepen zijn aangebracht die zijn bevestigd aan de zijde van een element gelegen tegenover het zich tot in de ringvormige gastoevoerkamer uitstrekkende schroeflijnvormige kanaal.

Bij de constructie zoals bekend uit aanvraagster's 30 Europese octrooiaanvrage nr. 82201601.0, treffen de gasmoleculen die in de ringvormige gastoevoerkamer terecht zijn gekomen daar de wanden van de ringvormige gastoevoerkamer. Door de thermische werking zal een molecuul, na een bepaalde tijd op de getroffen wand vertoefd te hebben, deze wand weer verlaten 35 in een richting die cosinusvormig is verdeeld en met een __« 8303927 w* .> - 4 - snelheid die gerelateerd is aan de heersende temperatuur. Een dergelijk molecuul zou zich, na het verlaten van de wand, kunnen bewegen in de richting van de gastoevoer van de ringvormige gastoevoerkamer en daarbij zelfs de ringvormige 5 gastoevoerkamer kunnen verlaten en de gastoevoer weer kunnen binnentreden. Met andere woorden gasmoleculen kunnen "teruglekken" van de ringvormige gastoevoerkamer naar de gastoevoer. Door dit "teruglekken" van gasmoleculen wordt de netto pomp-snelheid van de pomp verlaagd.

10 Het is gebleken, dat dit teruglekken van gasmoleculen belangrijk kan worden verminderd door volgens de uitvinding in de ringvormige gastoevoerkamer schoepen aan te brengen op de wijze zoals in het vorenstaande is vermeld.

Door de aanwezigheid van de schoepen wordt de kans dat 15 een gasmolecuul vanuit de ringvormige gastoevoerkamer naar de gastoevoer ontsnapt sterk gereduceerd, daar de schoepen een dergelijk gasmolecuul zullen onderscheppen.

Enige uitvoeringsvormen van de hoog-vacuüm pomp volgens de uitvinding zullen thans worden beschreven onder verwijzing 20 naar de figuren, waarin:

Figuur 1 een langsdoorsnede toont van een pomp volgens de uitvinding;

Figuur 2 een aanzicht van een doorsnede I-I toont van dezelfde pomp; 25 De pomp volgens de uitvinding bestaat in hoofdzaak uit twee coaxiale elementen 1, respectievelijk 2. Het element 1 vormt de stator en is een hol vast opgesteld huis 1. Het element 2 is roteerbaar opgesteld binnen het element 1 en vormt de rotor 2 van de pomp.

30 De rotor 2 is roteerbaar gelagerd binnen het huis of de stator 1. Daartoe is de rotor 2 aan de onderzijde voorzien van een as 12 en aan de bovenzijde van een as 13. De onderste as 12 wordt ondersteund door een lager 14 dat is geplaatst in een deksel 15. Het deksel 15 is verbonden met een draagorgaan 16.

35 Dit draagorgaan 16 is bevestigd aan het huis 1. Binnen het 8303927 s - 5 - * * draagorgaan 16 is een stator 17 van een electromotor bevestigd, die kan samenwerken met een rotor 18 van dezelfde electromotor, welke rotor 18 is bevestigd op de as 12.

De bovenste as 13 wordt ondersteund door een lager 19.

5 Dit lager 19 is bevestigd in een deksel 20 dat, bijvoorbeeld door middel van bouten (niet weergegeven), is bevestigd aan het boveneinde van het huis of element 1. Het deksel 20 bestaat uit een paar concentrische ringen 21 en 22 die door een aantal radiale spaken 23 met elkaar zijn verbonden, 10 zodanig dat tussen de spaken 23 kanalen 7 worden gevormd, die als gastoevoer dienen.

Het huis of element 1 is hol, waarbij de binnenzijde 3 in hoofdzaak de vorm kan hebben van een afgeknotte kegel. De zijde 3 is voorzien van ten minste één schroeflijnvormig 15 kanaal 5.

De buitenzijde 4 van het element 2 is in hoofdzaak cirkelcilindrisch. Tussen de tegenover elkaar gelegen zijden 3 en 4 van respectievelijk de elementen 1 en 2 wordt een pomp-ruimte 6 gevormd.

20 De pompruimte 6 staat via een ringvormige gastoevoerkamer 9 in verbinding met de gastoevoer 7, die in deze uitvoeringsvorm bestaat uit de reeds genoemde kanalen 7 in het deksel 20.

Een gasafvoer 8 is via een ringvormige ruimte 10 eveneens verbonden met de pompruimte 6.

25 De ringvormige gastoevoerkamer 9 bevindt zich nabij een einde van de elementen 1 en 2. De ringvormige gastoevoerkamer 9 wordt tevens begrensd door de elementen 1 en 2, waarbij de elementen 1 en 2 die de ringvormige gastoevoerkamer 9 begrenzen zodanig zijn uitgevoerd dat de ringvormige gastoevoer-30 kamer 9 nabij de gastoevoer 7 relatief breed is maar zich stroomafwaarts, al dan niet geleidelijk, vernauwt. De stroomafwaartse richting betekent in dit verband de richting van de gastoevoer 7 naar de pompruimte 6. Het schroeflijnvormige kanaal 5 strekt zich uit tot in de ringvormige gastoevoerkamer 35 9.

8303927 - 6 -

t I

O'

De vernauwing van de ringvormige gastoevoerkamer 9 in stroomafwaartse richting kan op verschillende wijzen worden verkregen. In de uitvoeringsvorm volgens de figuren 1 en 2 is daartoe het element 2 aan een einde voorzien van een deel 24, 5 waarvan het buitenoppervlak de vorm heeft van een afgeknotte kegel, waarop een deel 25 aansluit, waarvan het buitenoppervlak cirkelcilindrisch is.

In de ringvormige gastoevoerkamer 9 zijn schoepen 11 op de rotor 2 aangebracht. Deze schoepen 11 kunnen zowel aan het 10 deel 24 als aan het deel 25 van de rotor 2 bevestigd zijn, op de wijze zoals in de figuren 1 en 2 is weergegeven. In de uitvoeringsvorm volgens deze figuren strekken de schoepen 11 zich in radiale richting uit.

De schoepen kunnen ook op enigszins andere wijze aan de 15 rotor 2 worden bevestigd en wel zoals aangegeven door de stippellijn 11a in figuur 1. De schoepen worden dan zodanig aan het buitenoppervlak van de rotor 2 bevestigd dat iedere schoep 11a, gezien in de rotatierichting (zie pijl R) van de rotor 2, een scherpe hoek β maakt met een vlak V loodrecht op 20 de rotatie-as van de rotor 2. Met andere woorden de schoepen staan tegengesteld ten opzichte van de kanalen van de stator 1.

Tijdens normaal gebruik van de in het vorenstaande beschreven pomp, zal aan de aanzuigzijde van de pomp, dat wil 25 zeggen in de gastoevoer 7, een zeer lage druk heersen. De gasmoleculen zullen zich in de gastoevoer 7 met grote snelheid verplaatsen, namelijk met snelheden van de orde van grootte van 500 m/sec (voor N2 bij kamertemperatuur). Daar de ringvormige gastoevoerkamer 9 nabij de gastoevoer 7 (in radiale 30 richting gezien) breed is zullen vele moleculen de ringvormige gastoevoerkamer 9 binnentreden.

In de ringvormige gastoevoerkamer 9 zullen de "gevangen" moleculen heen en weer gekaatst worden tussen de oppervlakken 24 en 25 van de rotor 2 en de van het schroeflijnvormige 35 kanaal 5 voorziene binnenzijde 3 van de stator 1. Daarbij zal 8303927

* ' A

- 7 - de rotor 2 aan de moleculen een snelheidscomponent mededelen in de draairichting van de rotor 2. Dankzij het zich tot in de ringvormige gastoevoerkamer 9 uitstrekkende schroeflijnvormige kanaal 5, zullen de in de ringvormige gastoevoerkamer 9 5 "gevangen" moleculen zich naar de pompruimte 6 verplaatsen, op de wijze zoals in het vorenstaande is uiteengezet.

Dankzij de aanwezigheid van de schoepen 11, respectievelijk 11a, in de ringvormige gastoevoerkamer 9 zal het aantal moleculen dat van de ringvormige gastoevoerkamer 9 "teruglekt" 10 naar de gastoevoer 7 belangrijk worden beperkt, zoals in het vorenstaande is beschreven.

In de pompruimte 6 worden de moleculen in principe op dezelfde wijze getransporteerd, zodat zij tenslotte in de ringvormige ruimte 10 en in de gasafvoer 8 terechtkomen.

15 Uit door aanvraagster uitgevoerde proeven is gebleken, dat de toepassing van de beschreven ringvormige gastoevoerkamer 9, voorzien van de schoepen 11 respectievelijk 11a, een belangrijke verhoging van de pompsnelheid, bij een gegeven rotorsnelheid, tot gevolg heeft.

20 In de beschreven uitvoeringsvorm is de zijde 4 van de rotor 2 niet voorzien van ten minste ëén schroeflijnvormig kanaal. Desgewenst kan ook de zijde 4 van de rotor 2 worden voorzien van ten minste één schroeflijnvormig kanaal* De windingen van de schroeflijnvormige kanalen op respectievelijk 25 rotor en stator dienen dan tegengesteld gericht te zijn.

In de beschreven uitvoeringsvormen zijn de schoepen 11, respectievelijk 11a, zuiver radiaal gericht; het is echter ook mogelijk de schoepen 11, respectievelijk 11a, zodanig aan het buitenoppervlak 24, 25 van de rotor 2 aan te brengen dat 30 iedere schoep 11, respectievelijk 11a, een hoek maakt met het plaatselijk raakvlak aan de rotor die afwijkt van 90 graden.

De schoepen 11a kunnen ook zodanig zijn uitgevoerd dat zij ëën of meer schroeflijnvormige kanalen begrenzen.

QRH21 8303927

Claims (5)

1. Hoog-vacuüm moleculair pomp bestaande uit ten minste twee coaxiale elementen die roteerbaar zijn ten opzichte van elkaar en op geringe afstand van elkaar zijn geplaatst, waarbij een zijde van ten minste één van de elementen gelegen tegenover 5 een zijde van een ander element is voorzien van ten minste één schroeflijnvormig kanaal, en waarbij een pompruimte tussen deze zijden van de elementen aanwezig is, welke pompruimte is verbonden met een gastoevoer en een gasafvoer, waarbij nabij een einde van een paar elementen een in hoofdzaak ringvormige 10 gastoevoerkamer aanwezig is, die wordt begrensd door deze elementen, welke ringvormige gastoevoerkamer enerzijds met de gastoevoer en anderzijds met de pompruimte tussen de twee elementen is verbonden, waarbij het schroeflijnvormige kanaal zich uitstrekt tot in de ringvormige gastoevoerkamer en 15 waarbij de elementen die de ringvormige gastoevoerkamer begrenzen zodanig zijn uitgevoerd dat de ringvormige gastoevoerkamer nabij de gastoevoer relatief breed is maar zich stroomafwaarts, al dan niet geleidelijk, vernauwt, met het kenmerk, dat in de ringvormige gastoevoerkamer schoepen zijn 20 aangebracht die zijn bevestigd aan de zijde van een element gelegen tegenover het zich tot in de ringvormige gastoevoerkamer uitstrekkende schroeflijnvormige kanaal.

2. Hoog-vacuüm moleculair pomp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de tegenover elkaar gelegen zijden van de elemen- 25 ten in hoofdzaak omwentelingsoppervlakken, bijvoorbeeld delen van kegeloppervlakken en/of delen van cilinderoppervlakken, zijn.

3. Hoog-vacuüm moleculair pomp volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat één van de elementen (de stator) onbeweeglijk is 30 opgesteld en dat het andere element roteerbaar (de rotor) is opgesteld binnen de stator, waarbij de schoepen aan de rotor zijn bevestigd. 8303927 t. - 9 -

4. Hoog-vacuüm moleculair pomp volgens conclusie 3, met het kenmerk» dat de schoepen zich in radiale richting uitstrekken.

4 - 8 -

5. Hoog-vacuüm moleculair pomp volgens conclusie 3» met het kenmerk» dat de schoepen zodanig aan het buitenoppervlak van 5 de rotor zijn bevestigd dat iedere schoep, gezien in de rotatierichting van de rotor, een scherpe hoek maakt met een vlak loodrecht op de rotatie-as van de rotor. ♦ QRH21 8303927